Development and commercialization of 3D printing in medicine

Key information:

• At this point in Poland, nearly 2,000 people are waiting for an organ transplant.
• Coraz częściej w środkach masowego przekazu padają informacje o innowacjach w drukowaniu narządów 3D.
• Tissue engineering is a field of science that deals with the application of medical knowledge and materials engineering to produce replacements for damaged organs and tissues.
• Inżynieria tkankowa jest dziedziną, która rozwija się w dynamicznym tempie, poprzez wprowadzanie licznych innowacyjnych technologii.
• Wszczepienie w pełni funkcjonujących wydrukowanych narządów do ciała człowieka byłoby prawdziwą rewolucją w świecie medycyny, na którą niestety musimy poczekać najpewniej co najmniej parę lat.
• In March 2019, the media was buzzing about the big success of the Poles, who managed to print the first fully functional pancreas prototype.
• Stworzenie odpowiednich warunków przypominających ludzki organizm w bioreaktorze, temat druku 3D nadal pozostaje tematem przyszłości.
• Wszystko, co jest wszczepiane w ludzki organizm, musi być wytworzone na certyfikowanych urządzeniach, zgodnych z normami medycznymi.
• Tissue engineering is a field that solves many medical problems.

Details below!

At this point in Poland, nearly 2,000 people are waiting for an organ transplant. Of which at least a few dozen people - as a matter of urgency. Until recently, the only possible solution for improving the quality of health of this segment of the population was to obtain organs from a potential donor. However, news of innovations in 3D organ printing is increasingly being reported in the mass media. At what stage of advancement is the market for 3D printing in medicine, and will organ printing in the future be a no-brainer process? Or will organs created with this technique be seen on store shelves?

Tissue engineering - what is it really?

Tissue engineering is a field of science that deals with the application of medical knowledge and materials engineering to produce replacements for damaged organs and tissues. The first efforts at repairing defects in the body were made as early as the time of the ancient Egyptians, who believed in an afterlife and were extremely concerned with the integrity of the body. Archaeological research has proven that dentures, for example, were already being used then. However, the term tissue engineering itself was not coined until 1988 at a meeting of the National Science Foundation. The 1990s saw a surge in research to develop replacements for almost every organ and numerous innovations were introduced, a milestone for the medical 3D printing market.

Printing process

Aby zacząć proces biodruku narządu lekarze zwykle zaczynają od biopsji – pobrania części narządu lub usuwania niewielkiego kawałku tkanki. Dzięki temu możliwe jest rozdzielenie komórek i hodowanie ich poza organizmem człowieka. Rozwój komórek ma miejsce wewnątrz specjalnego, sterylnego inkubatora lub bioreaktora, które swoimi warunkami przypominają wewnętrzną temperaturę i natlenienie ludzkiego ciała. Następnie komórki pozostają zmieszane z biotuszem, którego niekomórkowa część może być wykonana w laboratorium. Biomateriały używane przy procesie drukowania muszą być nietoksyczne, biodegradowalne i biokompatybilne, w celu uniknięcia negatywnej reakcji organizmu.

W następnym etapie lekarze wkładają biotusz do komory drukującej. Drukarki są zaprogramowane w ten sposób, że zawierają dane obrazowe pacjenta pochodzące ze zdjęć rentgenowskich i skanów. Dzięki temu możliwe jest stworzenie tkanek o spersonalizowanych właściwościach. Długość procesu drukowania zależy od wielu czynników, na przykład od rodzaju drukowanego narządu czy tkanki. Zazwyczaj jednak trwa on od kilku do kilkunastu godzin.

Kiedy narządy zostają pobrane od dawcy, konieczne jest natychmiastowe umieszczenie ich w bioreaktorze, ponieważ w innym przypadku komórki umrą. Ponadto, konieczna jest perfuzja narządu, polegająca na dostarczeniu mu płynu (zwykle krwi lub jej substytutu). W przypadku druku organów istnieje wiele kwestii i wyzwań, które muszą być wykonane, aby wydrukowany organ funkcjonował jak prawdziwy, ludzki narząd w ciele. Po wszczepieniu pacjentowi wydrukowanego narządu będzie on z czasem ulegał degradacji. Część osób może pomyśleć, że wtedy tkanka się rozpadnie. Nic bardziej mylnego! Komórki wyczuwają wówczas, że most ustępuje i nie mają już stabilnego oparcia. Tworzą one wtedy swój własny klej oraz most – tak jak robią to w każdym organizmie ludzkim.

What level of sophistication are we at when it comes to bioprinting?

Despite the fact that tissue engineering is a field that is developing at a rapid pace, through the introduction of numerous innovative technologies, the implantation of fully functioning printed organs into the human body would be a true revolution in the world of medicine, for which we unfortunately have to wait probably at least a few years. However, once the public has reached this stage, commercialization of bioprinting should not be a problem.

Na całym świecie zapotrzebowanie na przeszczep organów jest ogromne. Powoduje to ciągły wzrost liczby innowacji, badań i prac nad drukiem narządów. Osoby, którym uda się doczekać przeszczepu, muszą przez resztę swojego życia przyjmować specjalne leki immunosupresyjne, w celu zapobiegania odrzucenia organu. W przypadku drukowania sytuacja wyglądałaby zupełnie inaczej. Zapewniłoby ono wystarczającą liczbę tkanek do przeszczepu, które byłyby drukowane z komórek pacjenta – a więc ryzyko odrzucenia będzie znacznie mniejsze.

Poland's success in 3D printing

In March 2019, the media was buzzing about the big success of the Poles, who managed to print the first fully functional pancreas prototype. Zespół pod kierownictwem dr hab. med. Michała Wszoły zaraz po wydrukowaniu narządu rozpoczął jego testy na zwierzętach. Wyniki badań były bardzo obiecujące, a materiał, z którego wykonana była trzustka, okazał się zupełnie nietoksyczny. Organ był sprawny, przez co zespół przygotowuje się do przeprowadzenia kolejnych badań, które finalnie pozwolą rozwinąć opracowaną technologię na tyle, aby możliwe było przeprowadzenie kolejnych badań z udziałem ludzkiego organizmu. However, due to a number of difficulties and requirements for printing, such as creating the right human-like conditions in a bioreactor, the topic of 3D printing still remains future topic. Creating a fully functional organ ready to be implanted in the human body is problematic and requires a lot of research and testing.

Is printing organs at home in the future possible?

All biological prints must be printed on special 3D bioprinters. Although such a printer can be created on its own (which, according to Carnegie Mellon University researchers, can be built for as little as $500), it still has to meet a number of requirements and standards, because in order to print an organ you need living cells that must be kept in the right conditions, which is not easy to achieve.

What's more, anything that is implanted in the human body must be manufactured on certified equipment that complies with medical standards. Therefore, even if we build the bioprinter ourselves - it will not be certified and therefore bioprinting at home will not be possible. The material produced must be biocompatible - otherwise it may cause undesirable effects in the human body, in addition, legal regulations are also another obstacle.

Brain bio

Researchers from the University of Montreal, the Federal University of Santa Catarina and Concordia University have announced that they have successfully printed living mouse brain cells using bioprinting technology. The vast majority of neurons were still alive two days after being printed. Numerous studies have been conducted to determine the cells' abilities, which could greatly help the development of this market.

However, despite numerous advances in this field, cell replacements and printing fully
of a functioning brain is still a question of the future. We need a lot of research, testing, time and financial help to make the bioprinting commercializable.

Success getting closer

Tissue engineering is a field that solves many medical problems. However, despite numerous innovations and research, we still have to wait for this market to develop, and for the implantation of organs produced with a bioprinter to become the norm. The joint efforts of doctors and scientists are increasingly yielding promising results, and we can hear in the media about further successes in transplantation using this technology. The development of this field is extremely important and could completely revolutionize the world of medicine, saving many lives.