Druk 3D a chirurgiczna rekonstrukcja krtani

Zastosowanie hybrydy składającej się z poliwęglanu (lekka konstrukcja o stosunkowo dużej odporności mechanicznej oraz porowatej ''przyjaznej'' powierzchni) i elementów biologicznych (autogennych - pochodzących z hodowli komórkowej tj. kolagenu - fibroblastów - chondrocytów) może być rozwiązaniem problemu rekonstrukcji krtani.

Pierwszym krokiem tego procesu było stworzenie wirtualnego modelu krtani w oparciu o rzeczywistą anatomię za pomocą CAD (Computer Aided Design), modelowania w 3D (w celu stworzenia zupełnie nowego obiektu) lub przy użyciu magnetycznego 3D (MRI) skanera rezonansowego (do stworzenia modelu istniejącego obiektu). Skaner 3D umożliwia utworzenie cyfrowej kopii zeskanowanego obiektu. Zastosowana w operacji technologia FDM (Fused Deposition Modeling) oparta jest na materiale w postaci termoplastycznego tworzywa sztucznego dostarczanego do ruchomego układu plastyfikującego. Wytłaczarka jest podgrzewana do temperatury topnienia materiału i bezpośrednio kontrolowana przez oprogramowanie do produkcji wspomaganej komputerowo (CAM). Przedmiot powstaje poprzez formowanie stopionego materiału w postaci warstw, materiał twardnieje natychmiast po wytłoczeniu. Technologia ta jest najczęściej stosowana do ABS (akrylonitryl-butadien-styren) i PLA (kwas polimlekowy), ale także do wielu innych materiałów o odpowiednich właściwościach.

Na podstawie rezonansu magnetycznego wspomaganego tomografią komputerową zaprojektowano obraz krtani do druku 3D. Projekt został przygotowany przy użyciu programu AutoCAD Inventor i wyeksportowany do pliku STL na drukarkę 3D. Wydruki krtani uzyskano ze specjalnie przygotowanych filamentów na bazie poliwęglanu z różnymi dodatkami. Przygotowany model musi wykazywać nie tylko biozgodność z ludzkim organizmem, ale także posiadać właściwości mechaniczne identyczne z naturalną chrząstką krtani.

Oprócz metod biologii molekularnej głównym kierunkiem rozwoju medycyny regeneracyjnej są przeszczepy autogenne, homogeniczne i heterogeniczne. W przypadku braku możliwości zastosowania tkanki lub narządu opracowywane są konstrukcje bioinżynieryjne o wysokiej biokompatybilności (protezy stawu, protezy naczyniowe, w tym sztuczna komora serca, biostymulatory takie jak implanty ślimakowe czy stymulator mózgu w chorobie Parkinsona). Przedstawione powyżej poliwęglanowe rusztowanie krtaniowe pozwala na stworzenie hybrydy allogeniczno-autogennej (sztuczny polimer + komórki autogenne), spełniającej wymagania anatomiczne i funkcjonalne dla narządu. Dane epidemiologiczne wskazują na dynamiczny wzrost zachorowalności na raka głowy i szyi (w tym raka krtani). U 50% wszystkich chorych na raka krtani konieczne jest całkowite usunięcie tego narządu. Krtań allogeniczno-autogenna daje tym pacjentom nadzieję na wyzdrowienie i powrót do normalnego, społecznego życia.

shutterstock-196793492

Należy jednak zauważyć, że druk 3D nie znalazł zastosowania jedynie w leczeniu krtani, jest już szeroko stosowany w całej medycynie; chociażby w przypadku wrodzonych chorób serca czy do planowania przedoperacyjnego. Wrodzone wady serca, powodujące poważne konsekwencje hemodynamiczne i funkcjonalne, wymagają leczenia chirurgicznego. Zrozumienie dokładnej anatomii chirurgicznej jest często trudne i może być niewystarczające lub błędne. Nowoczesne techniki obrazowania w wysokiej rozdzielczości i technologia druku 3D pozwalają na drukowanie replik serca pacjenta w 3D dla dokładnego zrozumienia złożonej anatomii, praktycznej symulacji procedur chirurgicznych i interwencyjnych. Chociaż materiały drukowane nadal wymagają optymalizacji pod kątem odwzorowania tkanek sercowo-naczyniowych i zastawek, to uzyskuje się w ten sposób modele odpowiednie do ćwiczenia zamykania ubytków przegrody, zastosowania przegród w komorach, rekonstrukcji i łuku aorty czy zabiegu zmiany tętnicy. Praktyczne szkolenie chirurgiczne (HOST) na modelach może wkrótce stał się obowiązkowym elementem programu chirurgii wrodzonych wad serca. 

Głównym problemem w dziedzinie druku 3D było znalezienie materiałów, które są nie tylko kompatybilne z materiałami biologicznymi i procedurą drukowania, ale mogą również zaoferować niezbędne mechaniczne i funkcjonalne właściwości konstrukcji tkankowych. Jest ogromna liczba materiałów, które można zastosować, w zależności od aplikacji. W zakresie planowania przedoperacyjnego jedynym drukowanym materiałem używanym są polimery: silikony, hydrożele (polialkohol winylowy, poliamid) itp. Wykorzystanie prototypów w planowaniu chirurgicznym, którym są modele fizyczne organów 3D używane przez chirurgów do ćwiczeń przed operacją, ułatwia im pracę dając im wyobrażenie o tym, z czym spotkają się podczas operacji.

Podsumowując, biodrukowanie implantów, takich jak stenty, plastry i sztuczne zastawki oraz inżynieria tkankowa z wykorzystaniem własnych komórek pacjenta otwierają drzwi do nowej ery wcześniej już wspomnianej medycyny spersonalizowanej. 

Dr hab. Andrzej Swinarew