Impressoras 3D em medicina: usos interessantes e aplicações potenciais

Contente

• Medicina transformadora com impressoras 3D
• Como funciona uma impressora 3D?
• Fazendo uma orelha
• Diferença entre um molde e um andaime
• Benefícios potenciais das orelhas impressas
• Imprimindo uma mandíbula inferior
• Próteses e itens implantáveis
• Mais exemplos
• Biimpressão com células vivas: um futuro possível
• Substituição de órgãos e tecidos
• Alguns sucessos da bioimpressão
• Imprimir partes do coração
• Criação de uma córnea
• Benefícios de Mini Órgãos, Organoides ou Órgãos em um Chip
• Uma estrutura que imita o pulmão
• Alguns desafios para a bioimpressão
• Referências

Linda Crampton ensinou ciência e tecnologia da informação para alunos do ensino médio por muitos anos. Ela gosta de aprender sobre novas tecnologias.

Medicina transformadora com impressoras 3D

A impressão 3D é um aspecto interessante da tecnologia que possui muitas aplicações úteis. Uma aplicação fascinante e potencialmente muito importante das impressoras 3D é a criação de materiais que podem ser usados ​​na medicina. Esses materiais incluem dispositivos médicos implantáveis, partes artificiais do corpo ou próteses e instrumentos médicos personalizados. Eles também incluem manchas impressas de tecido humano vivo, bem como mini-órgãos. No futuro, os órgãos implantáveis ​​podem ser impressos.

As impressoras 3D têm a capacidade de imprimir objetos sólidos tridimensionais com base em um modelo digital armazenado na memória de um computador. Um meio de impressão comum é o plástico líquido que se solidifica após a impressão, mas há outros meios de impressão disponíveis. Isso inclui metal em pó e "tintas" contendo células vivas.

A capacidade das impressoras de produzir materiais compatíveis com o corpo humano está melhorando rapidamente. Alguns dos materiais já são usados ​​na medicina e outros ainda estão em fase experimental. Muitos pesquisadores estão envolvidos na investigação. A impressão 3D tem o potencial tentador de transformar o tratamento médico.

Como funciona uma impressora 3D?

A primeira etapa na criação de um objeto tridimensional por uma impressora é projetar o objeto. Isso é feito em um programa CAD (Computer-Aided Design). Assim que o design for concluído, outro programa cria instruções para produzir o objeto em uma série de camadas. Esse segundo programa às vezes é conhecido como programa de fatiamento ou software de fatiamento, pois converte o código CAD de todo o objeto em código para uma série de fatias ou camadas horizontais. As camadas podem ser numeradas em centenas ou mesmo em milhares.

A impressora cria o objeto depositando camadas de material de acordo com as instruções do programa do fatiador, começando na parte inferior do objeto e indo para cima. Camadas sucessivas são fundidas. O processo é conhecido como manufatura aditiva.

O filamento de plástico é frequentemente usado como meio para impressão 3D, especialmente em impressoras voltadas para o consumidor. A impressora derrete o filamento e, em seguida, expele o plástico quente por meio de um bico. O bico se move em todas as dimensões conforme libera o plástico líquido para criar um objeto. O movimento do bico e a quantidade de plástico que é extrudado são controlados pelo programa do fatiador. O plástico quente solidifica quase imediatamente após ser liberado do bocal. Outros tipos de mídia de impressão estão disponíveis para fins especiais.

A parte da orelha que é visível do lado de fora do corpo é conhecida como pavilhão auricular ou aurícula. O resto da orelha está localizado no crânio. A função do pavilhão auricular é coletar ondas sonoras e enviá-las para a próxima seção do ouvido.

Fazendo uma orelha

Em fevereiro de 2013, cientistas da Cornell University, nos Estados Unidos, anunciaram que haviam conseguido fazer uma orelha auricular com o auxílio da impressão 3D. As etapas seguidas pelos cientistas da Cornell foram as seguintes.

• Um modelo de orelha foi criado em um programa CAD. Os pesquisadores usaram fotografias de orelhas reais como base para este modelo.
• O modelo da orelha foi impresso em impressora 3D, usando plástico para criar um molde com o formato da orelha.
• Um hidrogel contendo uma proteína chamada colágeno foi colocado dentro do molde. Um hidrogel é um gel que contém água.
• Os condrócitos (células que produzem cartilagem) foram obtidos da orelha de uma vaca e adicionados ao colágeno.
• A orelha de colágeno foi colocada em uma solução nutritiva em um prato de laboratório. Enquanto o ouvido estava na solução, alguns dos condrócitos substituíram o colágeno.
• A orelha foi então implantada nas costas de um rato, sob sua pele.
• Depois de três meses, o colágeno da orelha foi completamente substituído por cartilagem e a orelha manteve sua forma e distinção das células de rato ao redor.

Diferença entre um molde e um andaime

No processo de criação da orelha descrito acima, a orelha de plástico era um molde inerte. Sua única função era fornecer a forma correta para a orelha. A orelha de colágeno que se formou dentro do molde funcionou como uma estrutura para os condrócitos. Na engenharia de tecidos, um andaime é um material biocompatível com um formato específico e no qual as células crescem. O andaime não só tem a forma correta, mas também tem propriedades que sustentam a vida das células.

Desde que o processo de criação da orelha original foi realizado, os pesquisadores da Cornell descobriram uma maneira de imprimir uma estrutura de colágeno com a forma correta necessária para fazer uma orelha, eliminando a necessidade de um molde de plástico.

Benefícios potenciais das orelhas impressas

Orelhas feitas com o auxílio de impressoras podem ser úteis para pessoas que perderam as orelhas devido a ferimentos ou doenças. Eles também podem ajudar as pessoas que nasceram sem orelhas ou que não se desenvolveram adequadamente.

No momento, as orelhas de reposição às vezes são feitas de cartilagem nas costelas de um paciente. A obtenção da cartilagem é uma experiência desagradável para o paciente e pode danificar a costela. Além disso, a orelha resultante pode não parecer muito natural. As orelhas também são feitas de um material artificial, mas mais uma vez o resultado pode não ser totalmente satisfatório. As orelhas estampadas têm o potencial de se parecerem mais com orelhas naturais e de trabalhar com mais eficiência.

Em março de 2013, uma empresa chamada Oxford Performance Materials informou que eles substituíram 75% do crânio de um homem por um crânio de polímero impresso. As impressoras 3D também são usadas para fabricar aparelhos de saúde, como próteses, aparelhos auditivos e implantes dentários.

Imprimindo uma mandíbula inferior

Em fevereiro de 2012, cientistas holandeses relataram que criaram uma mandíbula inferior artificial com uma impressora 3D e a implantaram no rosto de uma mulher de 83 anos. A mandíbula era feita de camadas de pó metálico de titânio fundido por calor e era coberta por um revestimento biocerâmico. Os materiais biocerâmicos são compatíveis com o tecido humano.

A mulher recebeu a mandíbula artificial porque ela tinha uma infecção óssea crônica em sua própria mandíbula. Os médicos achavam que a cirurgia de reconstrução facial tradicional era muito arriscada para a mulher devido à sua idade.

A mandíbula tinha juntas para que pudesse ser movida, bem como cavidades para inserção dos músculos e sulcos para vasos sanguíneos e nervos. A mulher foi capaz de dizer algumas palavras assim que acordou da anestesia. No dia seguinte, ela conseguiu engolir. Ela foi para casa depois de quatro dias. Os dentes falsos foram programados para serem implantados na mandíbula em uma data posterior.

Estruturas impressas também estão sendo usadas no treinamento médico e no planejamento pré-cirúrgico. Um modelo tridimensional criado a partir de exames médicos de um paciente pode ser muito útil para os cirurgiões, pois pode mostrar as condições específicas dentro do corpo do paciente. Isso pode simplificar uma cirurgia complexa.

Próteses e itens implantáveis

A mandíbula de metal descrita acima é um tipo de prótese ou parte do corpo artificial. A produção de próteses é uma área em que as impressoras 3D estão se tornando importantes. Alguns hospitais agora têm suas próprias impressoras ou estão trabalhando em cooperação com uma empresa de suprimentos médicos que possui uma impressora.

A criação de uma prótese por impressão 3D é muitas vezes um processo mais rápido e barato do que a criação por métodos de fabricação convencionais. Além disso, é mais fácil criar um ajuste personalizado para um paciente quando um dispositivo é projetado e impresso especificamente para a pessoa. As varreduras do hospital podem ser usadas para criar dispositivos personalizados.

Membros de reposição costumam ser impressos em 3D hoje, pelo menos em algumas partes do mundo. Braços e mãos impressos costumam ser consideravelmente mais baratos do que os produzidos por métodos convencionais. Uma empresa de impressão 3D está trabalhando com Walt Disney para criar próteses de mãos coloridas e divertidas para crianças. Além de criar um produto mais barato e mais acessível, a iniciativa visa "ajudar as crianças a verem suas próteses como uma fonte de empolgação ao invés de constrangimento ou limitação".

Mais exemplos

• No final de 2015, vértebras impressas foram colocadas com sucesso em um paciente. Os pacientes também receberam um esterno impresso e uma caixa torácica.
• A impressão 3D é usada para produzir implantes dentários aprimorados.
• As juntas do quadril de reposição são freqüentemente impressas.
• Cateteres que se ajustam ao tamanho e formato específicos de uma passagem no corpo de um paciente podem se tornar comuns em breve.
• A impressão 3D está freqüentemente envolvida na fabricação de aparelhos auditivos.

Biimpressão com células vivas: um futuro possível

A impressão com células vivas, ou bioimpressão, está acontecendo hoje. É um processo delicado. As células não devem ficar muito quentes. A maioria dos métodos de impressão 3D envolve altas temperaturas, o que mataria as células. Além disso, o líquido transportador das células não deve prejudicá-las. O líquido e as células que ele contém são conhecidos como bio-tinta (ou bioink).

Substituição de órgãos e tecidos

A substituição de órgãos danificados por órgãos feitos de impressoras 3D seria uma revolução maravilhosa na medicina. No momento, não há órgãos doados suficientes disponíveis para todos que precisam deles.

O plano é retirar células do próprio corpo do paciente para imprimir um órgão de que ele precisa. Este processo deve prevenir a rejeição do órgão. As células provavelmente seriam células-tronco, que são células não especializadas que são capazes de produzir outros tipos de células quando estimuladas corretamente. Os diferentes tipos de células seriam depositados pela impressora na ordem correta. Os pesquisadores estão descobrindo que pelo menos alguns tipos de células humanas têm uma incrível capacidade de se auto-organizar quando são depositadas, o que seria muito útil no processo de criação de um órgão.

Um tipo especial de impressora 3D conhecido como bioprinter é usado para fazer tecido vivo. Em um método comum de fazer o tecido, um hidrogel é impresso a partir de uma cabeça de impressão para formar um andaime. Minúsculas gotículas de líquido, cada uma contendo muitos milhares de células, são impressas no andaime de outra cabeça de impressão. As gotas logo se juntam e as células se ligam umas às outras. Quando a estrutura desejada for formada, o andaime de hidrogel é removido.Pode ser descascado ou lavado se for solúvel em água. Scaffolds biodegradáveis ​​também podem ser usados. Estes se desintegram gradualmente dentro de um corpo vivo.

Na medicina, um transplante é a transferência de um órgão ou tecido de um doador para um receptor. Um implante é a inserção de um dispositivo artificial no corpo do paciente. A bioimpressão 3D fica em algum lugar entre esses dois extremos. Tanto "transplante" quanto "implante" são usados ​​para se referir a itens produzidos por uma bioprinter.

Alguns sucessos da bioimpressão

Implantes e próteses não vivos criados por impressoras 3D já são usados ​​em humanos. O uso de implantes contendo células vivas requer mais pesquisas, que estão sendo realizadas. Órgãos inteiros ainda não podem ser feitos por impressão 3D, mas seções de órgãos podem. Muitas estruturas diferentes foram impressas, incluindo manchas do músculo cardíaco que podem bater, manchas na pele, segmentos de vasos sanguíneos e cartilagem do joelho. Eles ainda não foram implantados em humanos. Em 2017, os cientistas apresentaram um protótipo de uma impressora que pode criar pele humana para implantação, no entanto, e em 2018 outros cientistas imprimiram córneas em um processo que pode um dia ser usado para reparar danos nos olhos.

Algumas descobertas promissoras foram relatadas em 2016. Uma equipe de cientistas implantou três tipos de estruturas bioimpressas sob a pele de camundongos. Isso incluía uma orelha humana do tamanho de um bebê, um pedaço de músculo e uma seção do osso da mandíbula humana. Os vasos sanguíneos dos arredores se estenderam para todas essas estruturas enquanto estavam nos corpos dos camundongos. Este foi um desenvolvimento estimulante, uma vez que um suprimento de sangue é necessário para manter os tecidos vivos. O sangue carrega nutrientes para os tecidos vivos e leva embora seus resíduos.

Também foi emocionante notar que as estruturas implantadas eram capazes de permanecer vivas até que os vasos sanguíneos se desenvolvessem. Essa façanha foi conseguida pela existência de minúsculos poros nas estruturas que permitiam que os nutrientes entrassem nelas.

Imprimir partes do coração

Criação de uma córnea

Cientistas da Universidade de Newcastle, no Reino Unido, criaram córneas impressas em 3D. A córnea é a cobertura transparente e externa de nossos olhos. Danos graves a esta cobertura podem causar cegueira. Um transplante de córnea geralmente resolve o problema, mas não há córneas suficientes disponíveis para ajudar todos que precisam delas.

Os cientistas obtiveram células-tronco de uma córnea humana saudável. As células foram então colocadas em um gel feito de alginato e colágeno. O gel protegeu as células conforme elas viajavam pelo único bico da impressora. Foram necessários menos de dez minutos para imprimir o gel e as células no formato correto. A forma foi obtida examinando o olho de uma pessoa. (Em uma situação médica, o olho do paciente seria examinado.) Depois que o gel e a mistura de células foram impressos, as células-tronco produziram uma córnea completa.

As córneas feitas pelo processo de impressão ainda não foram implantadas no olho humano. Provavelmente demorará algum tempo até que isso aconteça. No entanto, eles têm o potencial de ajudar muitas pessoas.

Estimular as células-tronco a produzir as células especializadas necessárias para fazer uma parte específica do corpo humano no momento correto é um desafio em si mesmo. No entanto, é um processo que pode trazer benefícios maravilhosos para nós.

Benefícios de Mini Órgãos, Organoides ou Órgãos em um Chip

Os cientistas conseguiram criar mini-órgãos por meio de impressão 3D (e por outros métodos). "Mini órgãos" são versões em miniatura de órgãos, seções de órgãos ou pedaços de tecido de órgãos específicos. Eles são referidos por vários nomes, além do termo miniorgão. As criações impressas podem não conter todos os tipos de estrutura encontrados no órgão em tamanho natural, mas são boas aproximações. Pesquisas indicam que eles podem ter usos importantes, embora não sejam implantáveis.

Mini órgãos nem sempre são produzidos a partir de células fornecidas por um doador aleatório. Em vez disso, muitas vezes são feitos de células de uma pessoa que tem uma doença. Os pesquisadores podem verificar os efeitos dos medicamentos no miniorgão. Se um medicamento for considerado útil e não prejudicial, pode ser administrado ao paciente. Existem várias vantagens neste processo. Uma delas é que um medicamento que provavelmente seja benéfico para a versão específica de uma doença do paciente e para seu genoma específico pode ser usado, o que aumenta a probabilidade de um tratamento bem-sucedido. Outra é que os médicos podem obter um medicamento incomum ou normalmente caro para um paciente, se puderem demonstrar que o medicamento provavelmente é eficaz. Além disso, o teste de drogas em mini-órgãos pode reduzir a necessidade de animais de laboratório.

Uma estrutura que imita o pulmão

Em 2019, cientistas da Rice University e da University of Washington demonstraram a criação de um miniorgão que imita um pulmão humano em ação. O mini-pulmão é feito de hidrogel. Ele contém uma pequena estrutura semelhante a um pulmão que é preenchida com ar em intervalos regulares. Uma rede de vasos cheios de sangue envolve a estrutura.

Quando estimulado, o pulmão simulado e seus vasos se expandem e se contraem ritmicamente sem quebrar. O vídeo mostra como funciona a estrutura. Embora o organoide não seja de tamanho normal e não imite todos os tecidos do pulmão humano, sua capacidade de se mover como um pulmão é um desenvolvimento muito importante.

Alguns desafios para a bioimpressão

Criar um órgão adequado para implantação é uma tarefa difícil. Um órgão é uma estrutura complexa que contém diferentes tipos de células e tecidos dispostos em um padrão específico. Além disso, conforme os órgãos se desenvolvem durante o desenvolvimento embrionário, eles recebem sinais químicos que permitem que sua estrutura fina e comportamento complexo se desenvolvam adequadamente. Esses sinais faltam quando tentamos criar um órgão artificialmente.

Alguns cientistas pensam que a princípio - e talvez por algum tempo - iremos imprimir estruturas implantáveis ​​que podem realizar uma única função de um órgão, em vez de todas as suas funções. Essas estruturas mais simples podem ser muito úteis se compensarem um defeito sério no corpo.

Embora provavelmente leve anos antes que os órgãos bioprintados estejam disponíveis para implantes, podemos ver novos benefícios da tecnologia antes disso. O ritmo da pesquisa parece estar aumentando. O futuro da impressão 3D em relação à medicina deve ser muito interessante, além de empolgante.

Referências

• Uma orelha artificial criada por uma impressora 3D e células de cartilagem vivas da Smithsonian Magazine.
• Transplante de mandíbula feito por uma impressora 3D da BBC (British Broadcasting Corporation)
• Mãos coloridas impressas em 3D da American Society of Mechanical Engineers
• A Bioprinter cria partes do corpo desenvolvidas em laboratório sob medida para transplante do The Guardian
• Primeira córnea humana impressa em 3D do serviço de notícias EurekAlert
• A impressora 3D faz o menor fígado humano de todos os tempos da New Scientist
• Mini órgãos impressos em 3D imitam o coração e o fígado batendo da New Scientist
• Um órgão que imita os pulmões da Popular Mechanics
• A nova impressora 3D produz tecido de ouvido, músculo e osso em tamanho real a partir de células vivas do Science Alert
• Bioprinter 3-D para imprimir pele humana do novo serviço phys.org

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