3D Bio-Printing Technology Could Enable On-Demand Organ Synthesis

by Nicole Basler

There  are  currently  more  than  120,000  men,  women,  and  children  in  America  who  need life-saving organ  transplants. While more than 1 million tissue transplants are performed each year, an average  of  18 people  die  each  day  from  the  lack  of available organs  for transplant. Furthermore, another name is added  to  the  national  organ transplant  waiting list every 10 minutes.  The surgical need  for  tissue is increasing.

Despite  the  current  strain  of  these  numbers,  the  future  possibility  of  synthesizing  a  3D printed  organ synthesized  from  a  patient’s  own  cells  presents  hope.  This  technology,  bioprinting,  is  a  favorable alternative  to  satisfy  the  growing  demand  for  human  tissue  and  organs.  It  offers greater  speed  and  computer precision  in  printing  living  cells  to  create  replacement  skin,  body parts,  and  organs  such  as  hearts, livers  and  kidneys.  Although  widespread public access  to  this technology  is  currently  far  from  reality, university  labs  and  private  companies  have  used  3D bioprinting  to  synthesize  such  organs  and  tissue.

The  process  of  3D  printing  is  based  on  the  growth  of  stem  cells  according  to  a computer-generated model.  Living  cells  are  layered  by  an  additive  process.  In  other  words,  the cells  are  placed  in  a  specific  position,  which allows  them  to  self-organize  and  grow.  The  ink  used  for printing  consists  of  live  cells  that  are  delivered  from  a  nozzle,  constructing  layer  by  layer  of  cells to  create  a  3D  tissue  or  organ. The  cells  used  for  bioprinting  are  derived  from the  patient’s individual  stem  cells,  removed  from  his  fat  or  bone  marrow,   which  eliminates  the possibility  of transplant rejection  from  the  patient’s  body.

Stuart  Williams,  executive  and  scientific  director  of  the  Cardiovascular  Innovation  Institute’s  efforts  to synthesize  a  3D  printed  heart  attempted  to  simplify  the  biological  process.  He  said,  “We  will  be  printing  things  on  the  order  of  tens  of  microns,  or  more  like  hundreds  of  microns,  and  then  cells  will  undergo  their  biological  developmental  response  in  order  to  self-organize  correctly.”

Thus  far,  bioprinting  has  achieved  a  fair  level  of  success  in  its  trials  and  tests.  For instance,  in May  2013,  doctors  saved  a  six-week  old  child  with  a  3D  printed  trachea.  Recently, researchers  in China  have  also  claimed  to  succeed  in  printing  a  pair  of  kidneys  for  patients  in need  of  transplants.  In  addition,  in  February  2013,  doctors  at  Weill  Cornell  Medical  College  and  biomedical  engineers  at  Cornell  University  in  New York  announced  they  had  used  3-D  printing  to  synthesize  a  human  ear  that  appears  and  functions  like  the  real  one.

Williams is optimistic of the potential of synthesizing organs through 3D bioprinting. He says, “Ultimately,  I  see  it  being  used  to  print  replacement  kidneys,  to  print  livers,  and  to  print  hearts  —  and  all  from  your  own  cells.”

Despite  considerable  success,  challenges  to  printing  a  functional  tissue  or  organ  still persist.  These difficulties  include  the  production  of  viable  cells,  creating  a  vascular  system  of branched  vessels, generating  the  exact  structural  complexity  of  organs,  such  as  the  brain  and heart,  and  integrating the cells  into  a  functional  network.

Keith  Murphy,  chairman  and  CEO of  Organovo,  a  San  Diego  based  company  committed  to  designing  tissue  through  bioprinting,  admitted  several  difficulties  in  printing  complex  organs.  He  said,  “If  you  do  what  we  do  with  putting  cells  in  the  right  place,  you  don’t  start  with  anything  structural  to  hold things  up. For  us,  the  challenge  is  the  strength  and  integrity  of  the  structure.”

Overall,  3D  organ  printing  is  a  primitive  technology  which  requires  further  trial  and research before it is released as a safe and widespread  innovation  to  the  public. While  bioprinting  pioneers hope  to fulfill  the  most  complex  organ transplants  and  necessities,  even  the  smallest successes,  such  as  tissue regeneration,  can  prove  life-­changing  for  many  patients.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *