Bioprinting: Ny metode for å printe menneskehjerter i full størrelse

Tekst:Roger Stormo
PUBLISERT: 25 november 2020
En 3D-printet modell av et voksent hjerte i full størrelse, tilvirket av Feinberg og hans team. Foto via Carnegie Mellon University.

Et team av forskere fra Carnegie Mellon University har utviklet en ny metode for 3D-bioprinting som muliggjør produksjon av realistiske menneskelige hjertemodeller i full størrelse.

Det er altså ikke snakk om fungerende organer, men realistiske modeller som kan benyttes både i undervisningsøyemed, for å simulere ekte operasjoner, samt at de kan skreddersys etter modell av en ekte pasient og øves på før vedkommende skal under kniven. Metoden åpner likevel også for mulige fremskritt innen vevsteknikk og regenerativ medisin.

Forskernes nye Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) teknikk innebærer ekstrudering av den miljøvennlige alginatpolymeren i en skreddersydd gelatinbeholder. Teamet har som mål å jobbe med kirurger for å lage pasientspesifikke kliniske modeller for kirurgisk trening og forhåndsplanlegging av hjertekirurgi.

–Kirurgen kan manipulere det og få det til å reagere som ekte vev, sier professor Adam Feinberg, som ledet prosjektet. –Så når de kommer inn på operasjonssalen har de fått en ekstra runde med realistisk praksis på forhånd.

Ny 3D-bioprintmetode

Et økende antall kirurger bruker 3D-printing som et middel til å utvikle skreddersydde modeller som lar dem forklare pasienter som skal gjennomgå hjerteoperasjoner. Ved å bruke bioprinting for å produsere disse replikaene kan de være realistiske, men åpner også muligheten for vevsteknikk og regenerativ medisin.

For tiden blir vanlige 3D-printteknikker som stereolitografi (SLA) og Fused Deposition Modelling (FDM) brukt til å reprodusere organer slik at de skal se realistiske ut. Selv om slike metoder generelt har gitt positive resultater, har deres utbredelse hittil vært begrenset av kostnadene og kompetansenivået som kreves for å produsere dem.

For å overvinne disse begrensningene har professor Feinberg og hans kolleger brukt to år på å undersøke hvordan man kan skrive ut en menneskelig hjertemodell i full størrelse og kom med en helt ny tilnærming med FRESH metoden. Teamets nye teknikk begynner med å bruke data samlet fra MR-skanninger og andre skanneprosesser for å designe en nøyaktig 3D-modell.

De resulterende designene skrives deretter ut med en nål som måler 250 mikrometer i diameter, som ekstruderer alginat i en skreddersydd beholder som er stor nok til å passe til en replika i full størrelse. Teamets nye metode ble til slutt funnet å gi mer holdbare modeller enn tidligere, noe som potensielt tillater dem å bli brukt mer effektivt som et kirurgisk treningsverktøy.

3D-printing av kirurgiske modeller i full størrelse

Under 3D-printprosessen bestemte forskerne seg for å bruke alginat som hovedmateriale for modellene sine fordi det ligner teksturen og de mekaniske egenskapene i organisk hjertevev. Dessuten viser det seg at mykere materialer som TPU og silikon er utsatt for deformasjoner på grunn av tyngdekraften, noe som gjør det litt mer stive alginatet til et bedre egnet alternativ. Tidligere har mindre hjertemodeller vært printet i verdensrommet, for å forhindre påvirkning av tyngdekraften.

Etter å ha produsert en serie prototyper, etterbehandlet forskerne dem i 12 timer i en gelatinbeholder, før de ble plassert i en inkubator over natten for å fjerne gelatinstøttene. Når de additivt tilvirkede modellene var klare, fortsatte Feinberg og teamet hans med å teste dem ved å se hvor langt polymeren kunne strekkes mens den ble sydd.

Resultatene indikerte at alginat hadde tilstrekkelig strekkfasthet til å kunne gjøres til hjertemodeller for kirurger å øve på. Forskerne fortsatte deretter med å bruke sin FRESH-tilnærming til å lage mindre modeller bestående av kranspulsårer fylt med falskt blod som også kan være nyttige for trening av kirurger.

Fire skanninger, det første er hjertet basert på MRI skann og det siste FRESH printet med alginat. Foto via Carnegie Mellon University.

En interessant ting var at teamet fant ut at nålespissen på ekstruderen var problematisk, da den trengte å være lang nok til å nå bunnen av gelatinbadet, samt å støtte det trykte materialet. For å løse dette problemet ble det laget en 3D-printet nålestøttekrage som kan byttes ut og festes til printerens ekstruderhode etter eget ønske.

Forskerne konkluderte med at deres 3D-modell var egnet som et kirurgisk treningsverktøy for å praktisere sutur (kirurgisk søm), så vel som andre operasjoner som kunne utføres på et ekte menneskelig hjerte. Samlet sett kan prosjektet åpne for andre forskningsveier, og i fremtiden håper teamet at deres FRESH-tilnærming fører til utvikling av et verktøy for testing av biomedisin.

Kilde: 3DprintingIndustry.com

Les mer

3D-printer i lommeformat

Forskere ved MIT og University of Texas i Austin har utviklet en brikkebasert 3D-printer som er omtrent på størrelse med en mynt. Denne unike lille tingesten skal for eksempel kunne brukes til rask prototyping på farten.
mit_chip-printer-01-PRESS_1

Forskning på AM med dupleks rustfritt stål

Hvordan kan dupleks rustfritt stål brukes optimalt både for lasersveising og additiv produksjon? Amir Baghdadchis fra Högskolan Väst i Sverige søkte svaret på det spørsmålet i sin doktoravhandling.
Amir-Baghdadchi-doktor-i-produktionsteknologi-1024x682

Nordens første testbed for 3D-printet betong

I slutten av april innviet forskningsinstituttet RISE et test- og demomiljø for 3D-printet betong. En unik investering som vil akselerere industriell bruk av teknologien og bane vei for en mer bærekraftig byggebransje i Sverige.
RISE-kollage-768x504

Kameleon inspirerte flerfarget 3D-print

Med inspirasjon fra kameleonens evne til å endre farge, har et team av amerikanske forskere utviklet et fargeskiftende blekk for flerfarget 3D-utskrift.
Chameleon-Colors-Coauthors

Siste nytt

3D-printede priser i Scandinavian Touring Car Championship

Da årets første STCC-konkurranse ble avgjort nylig, mottok de tre øverste på pallen trofeer som ble 3D-printet med gull-, sølv- og bronsefarget filament.
stccZ62_2506x-1024x682

BigRep med flere høytemperaturmaskiner

Tyske BigRep lanserte nylig ikke bare én, men tre nye 3D-skrivere for utskrift i høye temperaturer. Utgivelsen er et resultat av selskapets oppkjøp av HAGE3D, som ble annonsert i fjor høst.
IPSO105_inFormnext2023-1024x683

Skriver ut korallrev og parkourbane

Concrete Print bygde det første 3D-printede huset i Sverige for et par år siden. Siden den gang har selskapet fått flere andre oppdrag for å trykke med betong, sist fundament for å redde Sveriges siste korallrev og en parkourbane til SM-uka i Västerås.
Concrete-Print-1-1024x683

3D-printede komponenter i de nye Apple Watch modellene

En rapport fra TF International Securities-analytiker Ming-Chi Kuo indikerer at nye smartklokker fra Apple Inc. vil inkludere 3D-printede metallkomponenter.
applewatch