Open Source 3D-Druck: Erkundung wissenschaftlicher und medizinischer Lösungen

3D-Druck ist nichts Neues. Es ist eine sehr beliebte Branche, die in den frühen 80er Jahren begann. Aber wie unterscheidet sich Open Source 3D Printing von proprietären Designs? Wie wirkt sich das auf seine Anwendungen in Wissenschaft und Medizin aus? Lesen wir weiter.

Was ist 3D-Druck überhaupt?

So wie ein herkömmlicher Computerdrucker verwendet wird, um in 2D auf Papier zu drucken, besteht die Aufgabe eines 3D-Druckers darin, tatsächliche dreidimensionale Objekte zu erstellen, die aus einer digitalen 3D-Datei zusammengesetzt werden und natürlich von einem Computer unterstützt werden. Bei den meisten Methoden werden unterschiedliche Prozesse angewendet, indem Materialien Schicht für Schicht hinzugefügt werden.

Materialien können in flüssiger oder Pulverform vorliegen, die zusammengeschmolzen werden sollen, um als Eingabematerial für den 3D-Drucker zu dienen, genau wie für 2D-Tintenstrahldrucker Tintenpatronen erforderlich sind. Die Objekte, die erstellt werden, können nahezu jede geometrische Form haben.

Ein industriellerer Begriff für 3D-Druck ist Additive Manufacturing.

Warum ist 3D-Druck so nützlich?

Der 3D-Druck hat grenzenlose Anwendungsmöglichkeiten, weshalb er so beliebt ist. Lassen Sie uns einen kurzen Blick auf einige dieser Anwendungen werfen, wobei unser Hauptaugenmerk auf angewandten wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen liegt.

1. Rapid Prototyping

Beim 3D-Druck ist Rapid Prototyping ein Prozess, bei dem kleinere Teile eines größeren Geräts mithilfe von 3D-CAD schnell hergestellt werden können, um die Produktivität zu steigern. Dies ist eine großartige Möglichkeit, die Verwendbarkeit von Prototypen für Industriestandards zu testen, daher der Begriff.

2. Fahrzeuge

Es gibt eine Vielzahl von 3D-gedruckten Herstellungsverfahren für die Luftfahrt, die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, den Schiffbau und vieles mehr.

3. Umwelt

Derzeit werden 3D-gedruckte Korallenstrukturen entwickelt, um unsere sterbenden Korallenriffe zu retten.

4. Aufbau

Teile ganzer Gebäude können jetzt mit 3D-Druck erstellt werden, die alle später für den Bau verschiedener Architekturen wieder zusammengesetzt werden können. Jetzt können Sie Ihr Haus in weniger als einem Tag in 3D drucken!

5. Zahnheilkunde

Wussten Sie, dass auch Zähne in 3D gedruckt werden können? Überlegen Sie, wie genau sie zum Ersetzen oder Reparieren von Zähnen entwickelt werden können!

6. Gadgets und Tools

Sie können sogar Ihre eigenen Gadgets und Tools für den persönlichen Gebrauch in 3D drucken!

7. Organe

Ja, das ist richtig. Die 3D-Druckforschung hat inzwischen so große Fortschritte erzielt, dass es nun auch möglich ist, menschliche Organe für eine Transplantation von Patienten mit Leber, Niere, Herz, Lunge oder einem anderen lebenswichtigen Organ, das darüber hinaus geschädigt ist, wiederherzustellen "Reparatur".

Nachdem wir nun einige der verschiedenen Anwendungen gesehen haben, wollen wir uns überlegen, welcher der beiden folgenden Ansätze für sie besser geeignet ist:

Eigener 3D-Druck (Closed Source)

Proprietärer 3D-Druck verwendet, wie der Satz andeutet, proprietäre Software, die für die gemeinschaftsweite Entwicklung keinen Zugriff auf Quellcode ermöglicht. Änderungen an der Hardware führen ebenfalls zum Erlöschen der Garantie, wenn Sie einen proprietären 3D-Drucker besitzen. Wenn Sie die Funktionsweise des Druckers ändern müssen, um ihn an Ihre speziellen Anforderungen anzupassen, treten eine Reihe solcher Probleme nicht auf.

Wenn solche Regeln für eine der 3D-Druckanwendungen befolgt werden, die wir im obigen Abschnitt besprochen haben, wird es sehr schwierig, sich auf die tatsächlichen Projektziele zu konzentrieren.

Proprietärer 3D-Druck kann sehr teuer sein, nicht nur in Bezug auf das Geld, sondern auch, wenn Sie Zeit in Betracht ziehen, was auch bei der Arbeit an einem 3D-Druckprojekt von großem Wert ist.

Open Source 3D-Druck

Open Source 3D-Druck beseitigt alle Probleme, die wir gerade im proprietären Bereich besprochen haben. Dies senkt nicht nur die Kosten, sondern ermöglicht auch eine einfachere Innovation bei der Lösung von Problemen, die bei der 3D-Fertigung auftreten.

Offensichtlich gewinnt auch der Begriff „Open Source 3D Printing“ an Beliebtheit, wie eine einfache Online-Suche zeigt.

Benutzer können jetzt vollständig auf Open Source umsteigen, wodurch sich die Produktionszeit und die Herstellungskosten erheblich reduzieren lassen!

Beispiele für angewandte Wissenschaft und medizinische Lösungen, die mit Open Source 3D-Druck erzielt wurden

Wir haben darüber nachgedacht, welche dieser vielen Anwendungen für die radikale Verbesserung und Aufrechterhaltung der Qualität unseres Lebens und unseres Planeten von größter Bedeutung ist, und haben uns daher entschlossen, die wissenschaftlichen und medizinischen Lösungen speziell zu erforschen, um genau dies zu erreichen.

Lassen Sie uns in diesem letzten und wichtigsten Abschnitt verwandte Anwendungen auswählen, die wir gerade besprochen haben, und einige Beispiele im Detail betrachten, bei denen wir der Meinung sind, dass ein Open Source-Ansatz am notwendigsten ist:

1. Rettung unserer Korallenriffe

3D gedruckte Korallenriffe, entwickelt von Reef Design Lab

Korallenriffe sind ein äußerst wichtiger Teil der biologischen Vielfalt unseres Planeten und sterben ab.

3D-gedruckte Korallenriffe sind jetzt eine vielversprechende Initiative, um sie zu restaurieren. Reef Design Lab hat es kürzlich ermöglicht, das Leben von Korallen zu unterstützen. Das Design der an dem Projekt beteiligten 3D-Modelle wird Open Source sein, so dass Forscher, die daran mitwirken möchten, aktiv teilnehmen können.

2. Ersatz der Zähne

3D gedruckte Zähne? Ja, das ist heute definitiv möglich! Es gibt auch eine interessante Verbesserung im Design: Diese Zähne sind aus antibakteriellem Material gefertigt! Auf diese Weise können die Bakterien, die für Karies verantwortlich sind, bei Kontakt mit dem Lebensmittel, das Sie kauen, abgetötet werden!

3. Bioprinting

Ein 3D-Bioprinter ist ein Gerät, bei dem „Bio-Tinte“ als Material für den 3D-Druck von biotechnologisch hergestelltem Gewebe verwendet werden muss.

Das folgende kurze Video beschreibt den Prozess des Bioprintings eines menschlichen Ohrs. Beachten Sie, dass sie keinen Kunststoff oder Gummi verwenden, sondern lebendes Gewebe als Biomaterial!

Die Open Bioprinting Initiative

Als wir erfuhren, dass Tissue Engineering in hohem Maße von der 3D-Drucktechnologie angetrieben wird, sollten wir auch berücksichtigen, dass jeder Patient anders ist. Daher ist eine offene Plattform erforderlich, die eine kundenspezifische Herstellung für die Erzeugung von Gewebe und Organen ermöglicht.

Ein offenes System, das ein derart individuelles Drucken von Biomaterialien unterschiedlicher Art ermöglicht, erleichtert die Forschung im Bereich Tissue Engineering erheblich.

Die Open Bioprinting Initiative war ein Schritt, der dasselbe primäre Ziel ansprach. Das zugehörige Dokument ist nicht Open Access. Zu Unterrichtszwecken wurde es jedoch in ihrem GitHub-Repository mit dem Namen Papers bereitgestellt.

Das Papier zeigt, wie wichtig ein Open Source-Mehrkanal-3D-Bioprinting-System sowohl für die Hardware als auch für die Software ist. Es wird auch die Kosteneffizienz erwähnt, da das System mit einem Open-Source-Ansatz entwickelt und integriert wurde, um optimale Bedingungen für das 3D-Bioprinting zu finden.

Die Suche nach einem voll funktionsfähigen bioprinted Herzen!

Wir alle wissen, wie wichtig das Herz für unsere Gesundheit ist. Ein Medizintechnikunternehmen namens Biolife4D hat kürzlich seine Fähigkeit zum 3D-Bioprint von menschlichem Herzgewebe unter Beweis gestellt! Dies ist eine bemerkenswerte Leistung!

Sie verwenden lebende Zellen, um biologische Strukturen zu bioprinten. Die eigenen weißen Blutkörperchen des Patienten wurden neu programmiert, um pluripotente Stammzellen und Herzzellen zu erzeugen, wobei der Prozess einige Tage in Anspruch nahm, um eine vollständige Generation in Form eines Herzfleckens zu erhalten.

Derzeit befassen sie sich mit der Entwicklung von Einzelteilen wie Herzklappen und Blutgefäßen für das Herz. Derzeit ist es ihr oberstes Ziel, ein voll funktionsfähiges bioprinted Herz zu schaffen.

Wir haben online nach ihren Open Source-Repositories gesucht, aber keine gefunden. Wir hoffen, dass sie in Zukunft einen Teil ihrer Forschung zu Open Source machen, damit mehr Akademiker und Forscher gemeinsam einen Beitrag zur Entwicklung eines voll funktionsfähigen 3D-Bioprint-Herzens leisten können. Eine solche Aktion würde auch Initiativen wie Open Bioprinting erheblich stärken .

Angewandte Nanotechnologie für Organtransplantationen

„Der Bereich Tissue Engineering schreitet stetig voran, auch aufgrund der Fortschritte in der Rapid Prototyping-Technologie. Trotz zunehmender Fokussierung bleibt eine erfolgreiche komplexe Geweberegeneration von vaskularisiertem Knochen, Knorpel und der osteochondralen Grenzfläche weitgehend illusorisch. In diesem Aufsatz werden aktuelle dreidimensionale Drucktechniken und ihre Anwendung auf die Regeneration von Knochen, Knorpel und Osteochondrien untersucht. Die Bedeutung und der Nutzen der Integration von Nanomaterialien werden auch in den kürzlich veröffentlichten Beispielen hervorgehoben. Frühphasenerfolge und Herausforderungen der jüngsten Studien werden diskutiert, mit einem Ausblick auf die zukünftige Forschung in den verwandten Bereichen. “

M. Nowicki, NJ Castro, R. Rao, M. Plesniak & LG Zhang (2017). Integration von dreidimensionalem Druck und Nanotechnologie für die Regeneration des Bewegungsapparats. Nanotechnology, 28 (38), 382001. doi: 10.1088 / 1361-6528 / aa8351

In unserem vorherigen Open Science-Artikel haben wir das Thema Nanotechnologie und Open Source ausführlich erörtert und diesen Artikel in seiner Zusammenfassung erwähnt. Nanotechnologie und 3D-Druck weisen eine starke Korrelation auf.

Wir haben Materialien besprochen, die zum Erstellen von 3D-Objekten über die Drucker verwendet werden. Diese Materialien können auch im Nanobereich entworfen werden.

Da die Materialien im Bottom-up-Nanomaßstab entworfen wurden und drei extrem notwendige Präzisionsstufen ermöglichen, dh Nano-Mikro-Makro, ist es jetzt möglich, Eigenschaften wie maximale Festigkeit bei minimalem Gewicht beizubehalten. Dies bedeutet, dass wir jetzt die Elastizität, Festigkeit oder Härte solcher 3D-gedruckten Objekte mit hoher Genauigkeit einstellen können.

Eine solch extrem hohe Genauigkeit ist für die Entwicklung von 3D-gedruckten menschlichen Organen von größter Bedeutung, die es nun tatsächlich ermöglichen, unzählige Leben zu retten. Tissue Engineering würde erheblich verbessert und somit die effektive Herstellung von 3D-gedruckten Knochen-, Knorpel- oder osteochondralen Geweben fördern.

Das ist noch nicht alles, wie wir bereits gesehen haben, sind andere lebenswichtige Organe noch wichtiger.

4. Wirkstoffforschung

"Zu den aktuellen Errungenschaften zählen multifunktionale Arzneimittelabgabesysteme mit beschleunigten Freisetzungseigenschaften, einstellbaren und personalisierten Dosierungsformen, Implantaten und Phantomen, die der spezifischen Anatomie des Patienten entsprechen, sowie zellbasierte Materialien für die regenerative Medizin."

Jamróz, W., Szafraniec, J., Kurek, M. & Jachowicz, R. (2018). 3D-Druck in pharmazeutischen und medizinischen Anwendungen - Aktuelle Erfolge und Herausforderungen. Pharmaceutical Research, 35 (9). doi: 10.1007 / s11095-018-2454-x

Wir haben bereits diskutiert, warum Open Source Pharma als "Linux für Drogen" bezeichnet wird. Der 3D-Druck stärkt diese Initiative, da er eine größere Flexibilität, Zeitersparnis und die Herstellung von Arzneimitteln mit äußerster Präzision ermöglicht. Bei einer solchen Wirkstoffentdeckungsmethode wird die grundlegende Methode des 3D-Drucks für schichtweises CAD verwendet, um Wirkstoffe mit der richtigen Dosierung zu formulieren.

Die FDA hat vor einigen Jahren das erste 3D-gedruckte Medikament zugelassen. Die 3D-gedruckte Arzneimittelentwicklung adressiert die Herausforderungen herkömmlicher Herstellungstechniken in pharmazeutischen Einheiten. Der größere Vorteil liegt in der weitaus besseren Fähigkeit, qualitativ hochwertige Arzneimittel in Bezug auf die Arzneimittelbeladung, die Arzneimittelfreisetzung, die Arzneimittelstabilität und die Stabilität der Darreichungsform herzustellen, wie in diesem Open-Access-Dokument ausführlich beschrieben.

Zusammenfassung

In diesem umfangreichen Artikel zum Thema 3D-Druck haben wir Sie zunächst kurz in das Konzept eingeführt und anschließend anhand verschiedener Anwendungsbeispiele dessen Bedeutung verstanden.

Weiter vorne haben wir zwischen proprietären und Open Source 3D-Druckmodellen unterschieden, um die Vorteile dieser Modelle zu verstehen.

Schließlich konzentrierten wir uns auf die wissenschaftlichen und medizinischen Lösungen für Open-Source-Bioprinting, indem wir Initiativen zum Schutz unserer Korallen, zum Ersatz von Zähnen durch antibakterielle Mittel, zum Bioprinting mit Schwerpunkt auf Open-Source-Bioprinting und zur angewandten Nanotechnologie für Organtransplantationen untersuchten. In unserem letzten Unterabschnitt haben wir auch die Rolle des 3D-Drucks in der Wirkstoffforschung hervorgehoben.

Dies sind nur einige der vielen Anwendungen des 3D-Drucks. Wir glauben, dass proprietäre Hersteller auf Open Source-Geschäftsmodelle umsteigen müssen, um eine bessere Anwendbarkeit für unseren Planeten zu erreichen.

Was sind deine Ansichten? Meinen Sie, dass Open Bioprinting und andere 3D-Druckanwendungen mehr Aufwand erfordern? Haben Sie sich jemals mit 3D-Druck beschäftigt? Bitte teilen Sie uns Ihre Gedanken in den Kommentaren unten.

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