March 2014 Download this article as a PDFAbstract

За последние десять лет 3D печать получила значительное внимание из-за ее широкого применения, его простота настройки и увеличения доступности. Что началось как простая репликация простых объектов теперь идет в сложной промышленности для изготовления подробных продуктов, которое стоит угрожать обычным формам производства и изменить лицо потребительства. В последнее время технология нашла основу в области медицины с обещанием применения 3D-печати для процесса создания органа. С реальностью стареющего населения потребность в замене органов во всем мире будет увеличиваться пропорционально, в то время как число доноров остается неизменным. В частности, в области урологии необходимость пересадки органов постоянно растет как число пациентов, при почечной недостаточности продолжает расти. Эта статья рассматривает развитие биологических 3D печати или biofabrication, в области урологии и рассматривает плюсы и минусы этой новой технологии. Рассматриваются финансовые последствия этой технологии для медицинских учреждений, а также предпринимательские возможности, которые возникают от возникновения и эволюции 3D печати.

Введение

Не так давно считалось, что космические путешествия выходит за рамки человеческого потенциала, но удивительно, технический прогресс позволил человеку ходить по поверхности Луны в 1969-подвиг невообразимой для людей, живущих лишь столетие до. С того времени человечество наблюдается появление ряда подлинно impactful научно -технических достижений, таких, как разработка персональных компьютеров, создание Всемирной паутины и полное картирование генома человека. С учетом таких эффектных открытий исследования прогрессировала включить концепцию трехмерного (3D) печати, который может быть одним из лучших десяти самых передовых технологий предстоящего десятилетия (Хайман, 2011).

Интерес для производителей является процесс 3D печати имеет потенциал представляют серьезную угрозу для традиционных форм производства. В самом деле, 3D печать недавно был описан как своего рода «футуристический горячий клей пистолет» (Hart, 2012). Такие сложные технологии поистине замечательно, что доступ к элементам со сложным дизайном интерьеров с использованием цифровых шаблонов, созданных с помощью известных автоматизированного проектирования (CAD), Компьютерный инжиниринг (CAE) и автоматизированного производства (CAM) программного обеспечения (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012). По прогнозам, эта технология имеет значительное влияние на потребителей, позволяя клиентам мгновенно производить ряд ощутимых элементов, с помощью легко доступных и недорогих систем личной печати (Хайман, 2011). Это нововведение позволит устранить необходимость для потребителей поездки в обычных магазинах «кирпича и минометных» для приобретения физических продуктов и в конечном итоге будет искра розничной движение, которое будет переход от продажи физических (например, промышленные товары) для продажи виртуальных (то есть, платить за интеллектуальной собственности или программных файлов) (D'Aveni, 2013; Хайман, 2011).

Хотя применение 3D печати в мире производства очевидны и многочисленные, эта технология имеет потенциал, чтобы иметь множество приложений, выходящих за рамки многочисленных отраслей. Как можно представить, применение искусства 3D печати в медицинской области, например, в синтезе замены органов, может иметь потенциал для осуществления значительных социальных изменений.

Неотъемлемое преимущество технологии 3D печати, что полученный товар полностью настраиваемый, где последующие изменения не требует значительного технического перевооружения, но только предполагает изменение небольшие фрагменты кода в файле дизайна (D'Aveni, 2013). Этот новый подход имеет значительные преимущества для медицинской области, таких, как дизайн индивидуальных протезов конечностей, для производства керамических строительных лесов для использования в терапии костей (Leukers и др., 2005) и для приложений в орган biofabrication, также известный как орган печати (Касьянов соавт., 2011). Как население мира по-прежнему расти в результате расширенной продолжительности жизни, будет значительное увеличение необходимости замены органов (Atala, 2011). В самом деле за последние десять лет, потребность в трансплантации удвоилось число; Однако к сожалению, число доноров органов остается статичным, ведет к кризису глобального здравоохранения (Atala, 2011). Появление как open source, так и 3D технологий печати позволит врачей мира раунд для революционных и индивидуальные медицинские решения пациентов во время смягчения кризиса дефицит органа (Ozbolat и ю., 2013).

Как дополнительного рассмотрения концепция biofabrication станет бесценным в сфере преподавания больниц. Доступ к биологически совершенный орган реплики через 3D-печати может обеспечить образцы, из которых могли бы учить студентов-медиков. Эти биологические модели позволит молодым врачам отточить свои диагностические и хирургические навыки (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012). Далее орган модели, производные от 3D-принтеров можно сочетать с 3D-реконструкции технологии или виртуальное обучение в целях создания возможностей для более междисциплинарного обучения (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012).

В этой статье применение 3D печати будет применяться непосредственно к области урологии, сосредоточив внимание на плюсы и минусы этой технологии в области создания органа. Преимущества и проблемы, с которыми сталкиваются медицинские учреждения заинтересованы в принятии этой технологии будет рассмотрена, и некоторые из предпринимательских возможностей, которые создает такие нововведения будут обсуждаться.

Применение 3D печати в области урологии

Текущие статистические данные относительно возможности заболевания почек и число пациентов, живущих с болезнью являются огромными. В Канаде, Турине и коллеги (2012) Оценка 1 в 40 мужчин и женщин 1 в 60 будет развиваться терминальной стадии почечной болезни в их жизни. Кроме того число пациентов в конце стадии почечной болезни увеличилось втрое за последние 20 лет, наибольший рост наблюдается среди пожилых пациентов (Канадский институт медицинской информации, 2011). В 2009 году более 37 тысяч человек в Канаде живут с терминальной стадии почечной болезни; примерно 3000 из них на лист ожидания для трансплантации почки в 2009 году, но были выполнены только около 2000 пересадке почек (Канадский институт медицинской информации, 2011). Эти пациенты должны выдерживать визиты регулярно диализа, пока подходящий орган может быть расположен для трансплантации.

В последние TED Talk Энтони Атала (2011) продемонстрировал мощность 3D-печати в области урологии, иллюстрирующие его потенциальное применение к науке регенерации почек. Эта технология имеет значительные перспективы, особенно учитывая высокий уровень смертности и расходы, связанные с лечением болезни, как описано в следующем разделе. Атала исследования показали, как крупные органы со сложными сосудистой системы трудно воспроизвести, но учитывая сложные 3D визуализации технологии, врачи могут получить точное представление характеристик этого органа. Можно затем сформулировать биологические план из которого новый орган может быть напечатан, использованием собственных клеток пациента, как семь часов (Atala, 2011).

Процесс biofabrication не является в отличие от регулярной печати; Однако она включает в себя осаждение живых клеток и других биологических материалов, которые можно выращивать в новые человеческие органы (песня соавт, 2010). Подложке является гибким, что он может вместить широкий спектр материалов, включая орган конкретных клеток, кровеносных сосудов, гладких мышц и эндотелиальных клеток (Ozbolat и ю., 2013). В случае успеха эта технология может в конечном счете революцию в области нефрологии, сокращая или устраняя необходимость в пожертвование почек от живых и умерших доноров, устранения осложнений, связанных с иммунного подавления и трансплантата.

Управление терминальная стадия почечной недостаточности

С учетом меняющейся демографической ситуации в Канаде и в других местах в мире, здравоохранения системы во всем мире будет быть далее финансово бремя в ближайшие годы из-за старения населения и соответственно, медицинские системы будут сильно напряженными, как они пытаются удовлетворить сложные и дорогостоящие потребности их старения населения. В результате возможность печати 3D замены почки представляет привлекательное решение для отделов нефрология, тем самым разорвав долгосрочный пациента зависимость от Департамента и его ресурсов.

В настоящее время ежегодные расходы для управления диализа в Канаде составляет около $60k одного пациента (требующих трех визитов в неделю в больницу для лечения гемодиализом длится примерно 4-5 часов) где сравнительно, пересадка почки стоит примерно $23k за процедуры от $6k в ежегодных расходов на лекарства против отказа (Канадский институт медицинской информации, 2011). Дополнительные варианты существуют такие как перитонеальный диализ, который позволяет пациенту dialyze дома, используя портативный cycler и серия растворов различной концентрации. С точки зрения больницы нефрологии эта форма диализа предпочтительнее – второй только для пересадки – потому, что она не требует пациента, чтобы прийти в больницу три раза в неделю, является менее дорогостоящим, снижает спрос на dialyzing машины и снижает потребность медицинского персонала. Однако хотя дешевле, чем гемодиализ, этот вариант требует ежедневного диализа (с помощью cycler) или несколько сеансов в течение 24-часового периода (используя гравитации) и остается стоимость системы здравоохранения при оформлении социальное бремя на пациента.

Принимая во внимание социальные и финансовые издержки текущих вариантов терапии технология печати 3D почек держит обещание не только обеспечивая превосходное качество жизни для страданий пациентов, но и сокращение долгосрочных издержек ухода. В последующих разделах преимущества и проблемы 3D печати в области урологии рассматриваются с уделением особого внимания проблеме трансплантации почек в частности.

Преимущества 3D печати по специальности "Нефрология"

Повышение выживаемости и качество жизни

Несмотря на современные достижения в области медицины 36 канадцев умерли от терминальной стадии почечной недостаточности в ожидании пересадки почки в 2012 только (Шер, 2012). К сожалению это приравнивается к 36 жизней, которые могли бы потенциально были спасены по 3D технологии печати, которая могла бы помочь удовлетворить постоянно растущий спрос органа и уменьшить число смертей от почечной недостаточности.

С социальной точки зрения находясь на диализ чрезвычайно изнурительными. Гемодиализ, как, например, требует, чтобы пациент будет dialyzed несколько раз в неделю. Хотя эта процедура должна быть включена в рутину пациента, может быть физически и психически утомительно. Зависимость от машины для его существования может оставить чувство пациента полностью изолированы и депрессии. Хирургическое ввод порта, через который пациент получает терапию может сделать простые задачи, такие как купания или плавания, сложным или невозможным. В конечном счете терминальная стадия почечной недостаточности может оставить пациент чувствует себя совершенно беспомощным. Разработка 3D biofabrication может уменьшить время ожидания для пересадки органов и свести к минимуму зависимость от гемодиализа для многих пациентов.

Более релевантные модели и меньше зависимость от животных тестирования

Процесс регенерации тканей является очень сложным. Выращивание тканей органа протестировал и улучшены с помощью животных испытуемых, как правило, мышей и крыс. Появление 3D печати означает, что ученые и врачи могут прийти к более релевантные результаты, с использованием biofabricated моделей, при этом уменьшая необходимость участия животных как часть процесса исследований и разработок (Hart, 2012).

Сокращение или устранение списков ожидания органа

Есть 93 000 человек в Соединенных Штатах (Danovitch, 2013) и 3000 человек в Канаде (Канадский институт медицинской информации, 2011) для пересадки почки. К сожалению как отметил Атала (2011), необходимость в пересадке почек продолжает расти в то время как количество пожертвований остается неизменным. Изготовление по требованию почек (в дополнение к другим органом изготовления) в кратко - и среднесрочной перспективе, уменьшить нагрузку на списки ожидания органа и в конечном итоге должно уменьшить количество времени, что пациенты проводят в ожидании органа.

Ликвидация отторжения органа

Когда пациент получает орган, от жизни или усопшего донора, орган соответствует к получателю, на основе совместимости крови и тканей. Хотя были достигнуты значительные успехи в отношении развития послеоперационных почек против отказа лекарств (почечный фонд Канады, 2013), отторжения органа остается препятствием, которое трудно преодолеть, учитывая частое отсутствие совершенный орган матча. Однако возможность печати живой орган, с соответствующей сосудистой системы, построенные из собственных клеток пациента, практически исключает риск отказа почек. Расходы, связанные с обоих лекарств против отказа и стационарное лечение пациентов, страдающих от отторжения органа будет существенно сокращено.

Сокращение в незаконной торговле органами

Нехватка органов, доступных для пациентов на международном уровне стимулировало подземный рынок для продажи органов и тканей. Потребность в органах дальнейшее развитие в некоторых странах, где официальные программы для пожертвования почек от умерших больных препятствуют социально-культурным, политическим или правовым причинам (Shimazono, 2013). Торговля органов через международные границы вызывает серьезную озабоченность и остается значительным здравоохранения вопросом политики для таких организаций, как Всемирная организация здравоохранения (Shimanozo, 2013). Однако использование технологии 3D печати для создания замены органов, таких как почки поможет увеличить поставки жизнеспособных органов и удовлетворения растущего международного спроса, тем самым уменьшая число случаев незаконного «жать органа» деятельность на черном рынке.

Вызовы 3D печати по специальности "Нефрология"

Сложность процесса печати

3D-печать приносит изображения технологии с же сложности, как печать с помощью струйного принтера (Sangani, 2013); Однако процесс biofabrication является сложным и требует много последовательных шагов. Как описано Касьянов и коллеги (2011), процесс начинается с создания прототипов blueprint конкретного пациента. Хотя почки подобны от человека к человеку, каждой почки имеет уникальные особенности. Эта уникальность требует поколение Дизайн почек, специфичные для каждого пациента. Далее, Роботизированная принтеры следуют биологический процесс роста тканей, используя сложные биореакторов, которые ускоряют процесс созревания тканей. Чтобы еще более усложнить вопрос, замысловатые сосудистые деревья должны быть включены в систему с целью обеспечения жизнеспособности органа после того, как он был напечатан. В целом процесс является чрезвычайно сложным – гораздо сложнее, что общие примеры потребителя 3D-печати, например печать резиновая утка или замена болт.

Сложность дизайна программного обеспечения

К сожалению врачи не могут просто преобразовать рентген и МРТ изображения в шаблоны дизайна, из которых можно реплицировать биологические леса. Например из-за усадки модели после печати, почки сосудистое дерево – через которой кровь будет распространен-не может быть легко предсказал (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012). Поскольку такие изменения размера нельзя точно предсказать и включены в печать файл, процесс проектирования должен быть итеративным. Необходимые мероприятия усложняют процесс проектирования и исполнения при одновременном повышении стоимости (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012).

Имитируя функции почек

Это не достаточно произвести структурные реплики органа; новый орган должен иметь возможность выполнять все необходимые функции перед быть пересажены в пациента. В качестве примера если bioprinted почки не в состоянии секреции эритропоэтина (который служит для стимулирования производства красных кровяных клеток), то орган ничего не стоит. Для печатного органа, полностью заменить реальный орган, сложные структуры, содержащие клетки различных типов должны быть печати (Ozbolat и ю., 2013).

Потенциальные банальный

Некоторые исследователи выразили озабоченность по поводу того, что легкодоступными характер продукции через 3D-печати заставит людей быть небрежным с их здоровьем (Ратто, 2012). Простота получения замены может побудить людей заниматься рискованного поведения, думая, что 3D орган замены предлагают быстрое и простое средство. Однако наличие замены органов должны не принимать как должное и не должна рассматриваться в качестве оправдания для более рискованного поведения, таких, как пьянство, что увеличивает риск склероза печени, или Курение, что увеличивает риск рака легких. Даже после того, как технология еще, biofabrication замены органов и хирургии и ухода, связанные с ними, никоим образом не будет представлять собой тривиальное решение и не должно рассматриваться как таковой.

Технологические ограничения

Хотя поле biofabrication за последние годы значительно расширился и остается перспективным для будущего, технологии, связанные с 3D bioprinters все еще находится в стадии развития (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012). Несмотря на то, что есть много биологических применений для технологии, большинство не являются в настоящее время это возможно с учетом существующих ограничений технологии. Область исследования тканевой инженерии наблюдается стремительный рост за последние пять лет где тестирование по-прежнему в первую очередь ограничены животных образцов (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012). Однако предполагается, что такие прототипы технологии будут разрабатываться ускоренными темпами в ближайшие годы.

Ключевой области для дальнейших исследований сосредоточена на сложных этапах репликации органа, которая должна быть строго определена и стандартизированы для повышения эффективности производства и качества общего органа (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012). Такая стандартизация позволит врачам пользоваться технологией и оказывать друг другу помощь на протяжении всего процесса производства. Учитывая многочисленные возможности, биологически на основе 3D-печати представляет области медицины, исследования должны стать более многодисциплинарный характер, в результате чего исследователи, университеты, частные компании, врачи, исследовательские центры и биомедицинских инженеров вместе посредством коллективного обмена информацией (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012). Сотрудничество среди многочисленных дисциплин будет не только доказать развивать технологии быстрее, что делает его доступным для достойных пациентов, но он будет стимулировать инновации, как больше приложений открыт.

Рекомендации по нефрологии департаментов и больниц

Хотя многое предстоит развивать и совершенствовать процесс 3D печати для biofabrication органов, таких, как почки, больницы должны участвовать в разработке и продвижении исследования так, что они однажды предлагают плоды этой технологии в качестве решений для потребностей своих пациентов. В краткосрочной перспективе, исследовательские средства необходимо выделить для исследования нефрологов, которые могут работать совместно с другими научно-исследовательских учреждений в совершенствовании технологии. Цели исследования должны включать разработку сложных принтеров, которые имеют возможность печатать клетки или агрегатов в моде слоя, например, последовательно сдав слои геля, пропитанного клетки пациента (Миронов и др., 2003). Ozbolat и ю. (2013) предлагают сосредоточиться на улучшении клеток и biomanufacturing технологий в дополнение к технологии в естественных условиях интеграции. Однако один из крупнейших препятствий для печати 3D органа является васкуляризации, или развитие кровеносных сосудов внутри печатного органа, который должен сохранить орган жизнеспособного и функционирования после трансплантации (Ozbolat и ю., 2013 г.; Миронов и др., 2003).

Кроме того принятие такой новой технологии потребует стандартизацию методов подложке почек и разработки программного обеспечения. Такое программное обеспечение, как указывалось ранее, могут быть очень сложными (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012) и еще больше осложняется замысловатый характер сосудистой системы организма (Касьянов соавт., 2011). Как следствие значительные финансовые ресурсы должны быть израсходованы на медицинские учреждения для приобретения таких несвободных программ в дополнение к предоставлению углубленных учебных программ для хирургов. Такие программы подготовки должны включать основополагающие аспекты создания прототипов и биоинженерии, учитывая, что хирурги будут теперь выполнять роли биогенетики.

Как с введением любой новой технологии, есть вероятно, будет некоторой степени сопротивления, которое может препятствовать принятию технологии. Поддержка всех уровней управления и идентификации чемпионов для технологии являются ключевыми элементами для поощрения принятия, как бы обучение и другие возможности для предоставления сотрудникам новой технологии.

Возможности для предпринимательской деятельности

Как новая технология 3D печать представляет собой богатое поле для предпринимателей. Однако с учетом продолжающегося исследования в biofabrication, с использованием 3D технологии печати, невозможно для разграничения в полном объеме возможностей осуществления предпринимательской деятельности в этой области. Таким образом ниже перечислены лишь несколько примеров таких возможностей:

1. принтер принадлежности и техническое обслуживание: Учитывая весьма сложных и замысловатых характер биологических 3D-принтеров, печатные аппараты требует регулярного технического обслуживания для поддержания высокого уровня точности и точности. Компания, оснащены для борьбы с обслуживанием принтеров может также предоставить услуги по ремонту и материалы для печати.

2. 3D типографии: Чтобы воспользоваться преимуществами этой новой технологии, больницы придется приобрести подложке машин, что потребует дальнейшего строительства печати или производственных лабораторий, которые было бы желательно примыкали к операционных залов для максимальной эффективности (Диас Lantada и Lafont Моргаду, 2012). Кроме того больницы могут сотрудничать с сторонних типографиях, которые специализируются в biofabrication.

3. научные исследования и разработки: В настоящее время большинство 3D печати использует легко доступных материалов, таких как полиэтилен, которые наплавленного слоя для получения материального объекта. Biofabrication орган, однако, использует гели и матрицы, которые пропитаны с клетками доноров и затем используются в процессе печати. Хотя, крупные фармацевтические и биотехнологические компании могут доминировать в этом пространстве, возможности существуют для нишевых R&D компаний.

4. Разработка программного обеспечения: Подложке программное обеспечение требует непрерывной итерации и улучшения как 3D технологии печати развивается и созревает. Учитывая, что область биологической печати, вероятно, будут продолжать изменяться, соответственно увеличится потребность в специализированной биологической концепции программного обеспечения. В соответствии с меняющейся природы технологии такие фирмы могут попытаться установить партнерские отношения с исследователями, биогенетики, врачей и больниц, которые в настоящее время исследования этой технологии. Такие отношения могут предоставить возможность для компании, чтобы расти и укрепляться в сочетании с технологией. Программное обеспечение фирмы не только имеют потенциал на ранних стадиях проектирования программного обеспечения, но также может надеяться получить долгосрочные выгоды, предлагая техническую поддержку и услуги по подготовке программного обеспечения для больниц, которые несут их программное обеспечение.

Заключение

Хотя процесс 3D органа печати много перспективны для пациентов, страдающих почечной недостаточностью, технология остается в стадии развития. Репликация сложных венозной систем, встроенных в большинстве органов остается значительным препятствием и делает орган biofabrication сложнее, чем, например, 3D печать простых механических частей. Однако эти препятствия могут быть преодолены в ближайшем будущем на основе совместных исследовательских партнерств.

Помимо текущей парадигмы печати и затем трансплантировать biofabricated орган будущее перспектива печати 3D мини органы, которые будут выполнять только определенные не хватает функции главных органа (Ozbolat и ю., 2013) и не потребует замены всего органа, избегая тем самым инвазивной хирургии. Аналогично есть перспектива на месте biofabrication, где замена орган будет непосредственно напечатан в пациента в то время как они проходят хирургическая процедура (Ozbolat и ю., 2013).

Таким образом технология продолжает развиваться с удивительной скоростью, ориентации человеческих проблем, которые ранее были признаны непреодолимыми или даже безнадежно. Несмотря на проблемы, которые по-прежнему, как время прогрессирует устойчивого исследования и разработки могут продолжать приносить новаторские открытия в 3D biofabrication для улучшения жизни тех, кто страдает от почечной недостаточности.

Доля этой статьи:

Цитируете эту статью:

Оцените содержание: 
1 голосов были поданы с средний балл 4 звезды

Ключевые слова: 3D печать, biofabrication, биологические 3D печать, подложке, предпринимательство, нефрология, трансплантация органов, почечная недостаточность

Добавить новый комментарий

Обычный текст

  • Теги HTML не разрешены.
  • Адреса электронной почты и адреса страниц включите в ссылки автоматически.
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.