3D printing στην Ιατρική: Το μέλλον είναι εδώ

Από τον πρώτο τρισδιάστατο εκτυπωτή, που κατασκεύασε τη δεκαετία του 1980 ο Αμερικανός μηχανικός Charles Hull, είναι σαν να έχουν περάσει… αιώνες. Οι δυνατότητες των σύγχρονων μηχανημάτων φαντάζουν απεριόριστες και οι προκλήσεις επιεικώς φουτουριστικές. Διότι, χάρη στους 3D-printers, όποιο μέρος της ανατομίας φαίνεται σε μια ιατρική απεικόνιση (π.χ. αξονική ή μαγνητική τομογραφία) μπορεί να αντιγραφεί και να εκτυπωθεί σε βιοσυμβατό ή μη υλικό.

Θέλουμε αντίγραφο μιας γνάθου, ενός γονάτου, κάποιων αγγείων, ενός κρανίου, μιας καρδιάς; Μπορούμε να το ανασυνθέσουμε εικονικά και να το στείλουμε για εκτύπωση. Και όπως εξηγεί ο ερευνητής καθηγητής Εμβιομηχανικής και Υπολογιστικής Χειρουργικής του Πανεπιστημίου Sussex, Πάνος Διαμαντόπουλος, ένας από τους πρωτοπόρους και συντελεστές της 3D εκτύπωσης στην ιατρική, αυτό μπορεί να γίνει άμεσα και με εντυπωσιακή ακρίβεια.

Μια διάσημη “τρισδιάστατη” ιστορία

Πριν τέσσερα χρόνια, ένα μόλις τριών μηνών αγοράκι από τις ΗΠΑ σταμάτησε ξαφνικά να αναπνέει και μεταφέρθηκε σε κρίσιμη κατάσταση στο Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο Παίδων του Μίσιγκαν. Είχε γεννηθεί με Τracheobronchomalacia, μια σπάνια αναπνευστική πάθηση: τα τοιχώματα της τραχείας του ήταν πολύ αδύναμα, με συνέπεια αυτή να “καταρρεύσει” και έτσι να εμποδίζει το οξυγόνο να φτάσει στους πνεύμονες. Το βρέφος διέτρεχε άμεσο κίνδυνο και οι γιατροί έπρεπε να δράσουν ταχύτατα. Το τοποθέτησαν σε μηχανικό αναπνευστήρα και ζήτησαν τη γνώμη των συναδέλφων τους στο Akron Children’s Hospital του Οχάιο.

Εκείνοι, τους πρότειναν να αξιοποιήσουν τις δυνατότητες του νέου τους αποκτήματος: ενός τρισδιάστατου εκτυπωτή.

Και το έκαναν. Μέσω αξονικής τομογραφίας σκαναρίστηκε ο θώρακας του μωρού και σχεδιάστηκε ένα μοντέλο αεραγωγού-νάρθηκα στις ακριβείς διαστάσεις του.

Στη συνέχεια, το εκτύπωσαν σε ένα βιοαποικοδομήσιμο πολυμερές και το τεχνητό τμήμα προσαρμόστηκε στην τραχεία του αγοριού, έτσι ώστε να την κρατάει ανοιχτή. Τρεις εβδομάδες μετά την επέμβαση, το παιδί αποσυνδέθηκε από τον μηχανικό αναπνευστήρα και πήρε εξιτήριο. Σήμερα είναι υγιέστατο, ο νάρθηκας όπως προβλεπόταν έχει απορροφηθεί πλήρως από τον οργανισμό του και οι φυσικοί αεραγωγοί του έχουν αναπτυχθεί και λειτουργούν φυσιολογικά.

Και αν η περίπτωση του Μίσιγκαν σε κάποιους ακούγεται…διαστημική, στην πραγματικότητα είναι μία από τις πολλές, αφού πλέον η χρήση της τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι συνηθισμένη για ιατρικούς, εκπαιδευτικούς και ερευνητικούς σκοπούς.

Αγαπημένε μου εκτυπωτή…

Οι τρισδιάστατες εκτυπώσεις οργάνων έχουν μεγάλη εκπαιδευτική αξία, αναφέρει ο κ. Διαμαντόπουλος. Φοιτητές και ειδικευόμενοι γιατροί μπορούν χάρη σ’ αυτές να εξοικειωθούν με ασφάλεια και χωρίς στρες με την ανατομία του ανθρώπινου σώματος, πριν αναλάβουν έναν ασθενή. Επιπλέον, είναι πολύτιμα εργαλεία για τον προεγχειρητικό έλεγχο και τον θεραπευτικό σχεδιασμό. Σε μια επανορθωτική επέμβαση, όπως ένα συντριπτικό κάταγμα, οι γιατροί μελετώντας το ανατομικό αντίγραφο του ασθενούς γνωρίζουν ακριβώς τι πρέπει να κάνουν, πριν καν τον ακουμπήσουν.

Έτσι, κερδίζουν χρόνο στο χειρουργείο, μειώνουν την ταλαιπωρία του ασθενούς, αυξάνουν την αποτελεσματικότητα της επέμβασης και ελαττώνουν τον κίνδυνο επιπλοκών. 

Αλλάζει ζωές

Είναι πράγματι εντυπωσιακές οι περιπτώσεις της πλαστικής και ορθοπεδικής χειρουργικής, όπου η τρισδιάστατη εκτύπωση κάνει κυριολεκτικά θαύματα. Ενδεικτικά, χειρουργοί στην Ουαλία χρησιμοποίησαν 3D-printer για να ανακατασκευάσουν το πρόσωπο ενός 29χρονου, ο οποίος είχε σπάσει το αριστερό ζυγωματικό, την άνω γνάθο, τις οφθαλμικές κόγχες και το κρανίο του σε ατύχημα με μοτοσικλέτα. Η ιατρική ομάδα σκάναρε το κεφάλι του με τη χρήση αξονικού και μαγνητικού τομογράφου και με βάση τα εναπομείναντα γερά οστά σχημάτισε την εικόνα της πλήρους δομής του προσώπου του -όπως ήταν πριν από το ατύχημα. Στη συνέχεια εκτύπωσαν εμφυτεύματα από τιτάνιο, τα οποία τοποθετήθηκαν στον νεαρό με επιτυχία. Η 3D τεχνολογία έχει εφαρμογή σε ένα πολύ ευρύ φάσμα της Ιατρικής, αλλά στο χειρουργικό πεδίο πραγματικά αλλάζει ζωές, επισημαίνει ο κ. Διαμαντόπουλος.

Τα “μελάνια” εκτύπωσης

Εάν το 3D αντίγραφο προορίζεται για εκπαιδευτικούς σκοπούς ή προ-εγχειρητικό έλεγχο και προγραμματισμό, συνήθως τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την εκτύπωσή είναι πολυμερή (π.χ. πλαστικά και ελαστικά), υδροτζέλ, γυαλί ή γύψος. Ιδιαίτερα διαδεδομένες στις προσομοιώσεις επεμβάσεων είναι και οι ρητίνες.

Διότι έχουν “συμπεριφορά” παρόμοια με εκείνη των ανατομικών ιστών και, επιπλέον, είναι διαφανείς και μπορούν να χρωματιστούν, για να τονιστούν συγκεκριμένες περιοχές, όπως νεύρα, αρτηρίες, αγγεία, ρίζες δοντιών, ακόμη και καρκινικοί όγκοι.

Επειδή, όμως, υπάρχει και η ανάγκη για δημιουργία εμφυτευμάτων ή μοσχευμάτων που ο ρόλος τους είναι να παραμείνουν στο ανθρώπινο σώμα, το υλικό της εκτύπωσης πρέπει να είναι βιοσυμβατό, ώστε να μην απορριφθεί από τον οργανισμό, να μην προκαλέσει μολύνσεις ή τραυματισμούς. Έτσι, χρησιμοποιούνται από ειδικά είδη πλαστικού και κεραμικά έως κράματα τιτανίου ή κοβαλτίου-χρωμίου, αλλά και υδροτζέλ με βλαστοκύτταρα, ιδιαίτερα στο χώρο της βιοτεχνολογίας.

Τρισδιάστατα χαμόγελα

Χαρακτηριστικό παράδειγμα εφαρμογής της τρισδιάστατης εκτύπωσης στην οδοντιατρική είναι η τοποθέτηση οδοντικών εμφυτευμάτων, εξηγεί ο Dr Ανδρέας Ο. Παράσχης, οδοντίατρος–περιοδοντολόγος του Πανεπιστημίου Tufts των ΗΠΑ, από τους πρώτους οδοντιάτρους που έχουν εντάξει την σχετική τεχνολογία στην κλινική τους ρουτίνα. Η σχετική τεχνική είναι πλέον γνωστή ως Υπολογιστικά Καθοδηγούμενη Τοποθέτηση Εμφυτευμάτων και σταδιακά υιοθετείται και στην Ελλάδα από όλο και περισσότερους οδοντιάτρους. Πώς επιτυγχάνεται αυτό το φουτουριστικό εγχείρημα; Μέσω ενός προγράμματος στον υπολογιστή, ο οδοντίατρος μπορεί να μελετήσει την αξονική τομογραφία, να προσδιορίσει εικονικά τις κατάλληλες θέσεις των εμφυτευμάτων και με τη τρισδιάστατη εκτύπωση να φτιάξει έναν χειρουργικό νάρθηκα “οδηγό”, ο οποίος θα “καθοδηγήσει” τα εμφυτεύματα με ακρίβεια στις ιδανικές θέσεις για τα μελλοντικά δόντια. Επίσης, υπάρχει πλέον η δυνατότητα του σχεδιασμού και της κατασκευής διαφόρων τύπων προσθετικών πριν από την επέμβαση, ώστε, αν είναι εφικτό, να υπάρξει άμεση αποκατάσταση και ο ασθενής να έχει δόντια την ίδια ημέρα.

Και όπως επισημαίνει ο κ. Διαμαντόπουλος, αυτό ακριβώς είναι και το γενικότερο κίνητρο για την εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας στην Ιατρική: Λιγότερη ταλαιπωρία, περισσότερα χαμόγελα.

Zωή… από εκτυπωτή;

Οι ειδικοί συμφωνούν πως η τρισδιάστατη εκτύπωση θα παίξει σημαντικό ρόλο στο σχεδιασμό δομών για τη στοχευμένη θεραπεία νοσημάτων. Όμως, κάτι ακόμη πιο συγκλονιστικό βρίσκεται μπροστά μας, τονίζει ο κ. Διαμαντόπουλος: το Bioprinting, δηλαδή η εκτύπωση αληθινών ανθρώπινων οργάνων.

Οι ερευνητές στα εργαστήρια οραματίζονται τη δημιουργία νεφρών, συκωτιού, καρδιάς και άλλων οργάνων και ιστών, έτσι ώστε ένας ασθενής ο οποίος χρειάζεται μεταμόσχευση να μην αναζητά δότη, αλλά έναν 3D-printer που θα εκτυπώνει ζώντα όργανα από κύτταρα!

Και το ζήτημα δεν είναι πότε θα συμβεί αυτό αλλά πώς…

Ο βασικός περιορισμός προς το παρόν έγκειται στην εύρεση εκτυπώσιμων υλικών, που δεν θα είναι απλώς βιοσυμβατά, αλλά πραγματικά βιολογικά. Αν ξεπεραστεί αυτό, τότε δεν αποκλείεται να φτάσουμε στο σημείο να εκτυπώνουμε ζωή, καταλήγει ο κ. Διαμαντόπουλος. Και τότε, ο μόνος πιθανός κίνδυνος θα είναι η ανθρώπινη φύση και ο τρόπος που τελικά θα διαχειριστούμε αυτή την τεχνολογία.

Τα καλά νέα

Στις 3 Σεπτεμβρίου θα διοργανωθεί η πρώτη ημερίδα στην Ελλάδα για τις Εφαρμογές της Τρισδιάστατης Εκτύπωσης στην Ιατρική, εγκαινιάζοντας ταυτόχρονα την ίδρυση σχετικού εργαστηρίου Ιατρικής Τρισδιάστατης Εκτύπωσης στην Ιατρική Σχολή Αθηνών με επιστημονικό υπεύθυνο τον κ. Παναγιώτη Διαμαντόπουλο, υπό την καθοδήγηση του Καθηγητή Φυσιολογίας κ. Μιχάλη Κουτσιλιέρη. Σκοπός της σχετικής επιστημονικής δραστηριότητας θα είναι η εκπαίδευση, έρευνα και κλινική εφαρμογή της σχετικής τεχνολογίας στην χώρα μας.

Νέας τεχνολογίας “σπίτι”

Επειδή η Ιατρική δεν είναι μόνο για τους ανθρώπους, αλλά και για όλα τα ζωντανά πλάσματα, πρόσφατα, μια ομάδα διάσωσης ζώων που ονομάζεται “The Animal Avengers” βοήθησε τον Freddy, μια χελώνα που έπεσε θύμα φωτιάς στην Βραζιλία να ζήσει, να ευτυχήσει και να γίνει η πρώτη χελώνα, η οποία θα έχει καβούκι φτιαγμένο με 3D printer. Ο Cicero Moraes, μέλος της εθελοντικής ομάδας διασωστών ζώων, σχεδίασε με πολύ μεράκι το καβούκι του Freddy και το “τύπωσε” με την βοήθεια ενός τρισδιάστατου εκτυπωτή.

“Είμαστε χαρούμενοι που ο Freddy είναι η πρώτη χελώνα στον κόσμο στην οποία έγινε “μεταμόσχευση” καβουκιού. Αισθάνεται άνετα στο καινούργιο του “σπίτι”. Αλλά κυρίως, γιατί με την τρισδιάστατη εκτύπωση θα μπορούμε να βοηθήσουμε και άλλα ζώα που έχουν την ανάγκη μας”.