Когда на принтере будут печатать внутренние органы

Я подарю тебе сердце: какие органы можно напечатать на биопринтере

Органные конструкты

В XXI веке технология 3D печати стремительно ворвалась в нашу жизнь. Напечатать можно всё, что угодно: сувениры, игрушки, детали и даже целые дома! 3D принтер слой за слоем наносит материал на подложку согласно заданной цифровой модели и создает трехмерный объект. А что же такое 3D биопечать? А это всё то же самое, только в качестве материала для печати используются живые клетки или клеточные агрегаты, а в результате получаются микроорганы или, как их называют ученые, тканевые или органные конструкты.

Такие конструкты можно использовать в самых разных областях: в медицине для регенерации поврежденных органов, в фармакологии для тестирования лекарственных и косметических средств, в биологии для научных исследований и в ряде случаев в пищевых технологиях для печати еды.

Биобумага, цифровая модель и материалы для биопечати

Процесс биопечати можно разделить на три основных этапа: подготовка (pre-processing), печать (processing) и пост-принтинг (post-processing). На первом этапе происходит моделирование будущего объекта и подготовка материала для печати. Цифровая модель может быть создана de novo (то есть с нуля) и определяться фантазией оператора, а может быть основана на данных магнитно-резонансной или компьютерной томографии. Материал для печати включает в себя живые клетки в роли биочернил, а также специальные гели (на водной основе) в качестве подложки, то есть биобумаги. Гидрогели могут быть натуральные (например, коллаген, фибрин или гиалуроновая кислота) или синтетические (например, полиэтиленгликольдиакрилат или полиакриламид), но они обязательно должны быть биосовместимы: клеткам должно быть комфортно внутри них. На втором этапе происходит послойная печать желаемого объекта с помощью биопринтера.

Однако только что напечатанный конструкт еще не готов для использования. Необходимо его «дозревание» в биореакторе. На этом этапе можно влиять на различные характеристики конструкта, задавая его механическую прочность, биологические и функциональные свойства.

Что напечатать сложнее?

Самое простое для биопечати — органы, представляющие собой двумерную ткань: кожа и хрящи. На втором месте идут органы в виде полых трубок: трахея, сосуды, пищевод, уретра и другие. И, наконец, сложнее всего напечатать паренхиматозные органы, такие как почки, печень, сердце, легкие.

На сегодняшний день ученые уже хорошо научились печатать кожу и хрящи, поскольку для их печати достаточно одного-двух типов клеток и можно использовать даже самый простой биопринтер. Существует уже достаточно много работ, описывающих биопечать трубчатых структур и их успешную трансплантацию лабораторным животным. В области печати паренхиматозных органов также достигнуты определённые успехи. Так, в 2017 году российскими учеными из «3Д Биопрнитинг Солюшенс» были напечатаны конструкты щитовидной железы мыши, которые продемонстрировали свою функциональность после пересадки мышам с гипотериозом (нарушением функции щитовидной железы, сопровождающейся пониженным уровнем гормонов).

IN SITU

Помимо создания тканевых и органных конструктов в лаборатории с целью их последующей пересадки пациентам, возможно и непосредственное замещение дефектов тканей и органов в процессе операции. Такой подход имеет ряд существенных преимуществ: отсутствует необходимость в биобумаге, поскольку печать осуществляется напрямую в раневое ложе, снижается риск контаминации (заражения) трансплантируемого материала, клеточный материал сразу попадает в естественное окружение, богатое различными факторами роста и содержащее сигнальные молекулы, способствующие формированию правильной структуры.

Однако, как и у каждого метода, у in situ биопринтинга существуют недостатки. Основной из них – высокая сложность печати на негоризонтальных поверхностях. Тем не менее, решение этой проблемы уже практически найдено. Классические биопринтеры, работающие на основе картезианской системы – вперед, назад, вверх, вниз, вправо, влево, – возможно заменить на роботизированные системы, имеющие несколько степеней свободы.

Читайте также:  Wordpress теги как рубрики

Источник

Как с помощью 3D-принтеров печатают кости, сосуды и органы

На заре становления технологии быстрого прототипирования было широко распространено мнение, что 3D печать трансформирует все производство, стимулировав потребительскую революцию, в результате чего принтер появится в каждом доме. Этого пока что не произошло, однако, как это бывало со многими новейшими технологиями, быстрое прототипирование нашло свое применение в совершенно другой области – в медицине.

Статья с сайта Gizmodo.

Ниже речь пойдет об исследованиях и проектах, представляющих собой наиболее интересные примеры применения биопечати и использования машин с компьютерным управлением для сборки биологической материи, в ходе которой используются органические чернила и сверхпрочные термопласты. Диапазон применения биопечати весьма широк – от реконструкции основных отделов человеческого черепа до печати скаффолдов – каркасов, на которых стволовые клетки могут развиться в новые кости. Подробности читайте ниже.

Черепа

Osteofab – продукт компании Oxford Performance Materials. Первоначально OPM вышла на рынок, продавая в сыром виде высокоэффективный полимер, часто используемый при изготовлении медицинских имплантатов – термопластик под названием полиэфиркетонкетон (PEKK), но за последние несколько лет компания стала первой, кто освоил и применение этого материала, в первую очередь в аддитивном производстве. Так, в феврале 2013 года американскому пациенту установили 3D-имплантат части черепа, качество которого было одобрено FDA. К отливке и печати подошли очень тщательно, чтобы соответствовать уникальной геометрии черепа пациента, 75% которого теперь составляет имплант.

Главная проблема создания новой кожи при помощи печати заключается в сложности воссоздания определенного оттенка из всего возможного спектра. Учитывая то, что наша кожа уникальна, тонка и подвержена изменениям, создать ее точную копию достаточно сложно. Существует огромное количество интересных исследований на эту тему, суть которых невозможно уложить в короткий рассказ.

Тем не менее, вот две наиболее интересных: ученый Джеймс Йоо из университета Уйэк-Форест за счет средств гранта, финансируемого Министерством обороны США, работает над созданием машины, которая сможет печатать кожу прямо на людях, ставших жертвами ожогов. Другое исследование проводится учеными из Ливерпульского университета, которые используют тщательно откалиброванные 3D-сканеры для получения образцов кожи, содержащих все ее мельчайшие нюансы, что позволит в дальнейшем напечатать более реалистичные имплантаты.

Исследование все еще продолжается, и команда планирует создать «базу образцов кожи» с отсканированными примерами, к которой можно будет подключиться из отдаленных больниц, где не располагают камерами, необходимыми для сканирования кожи конкретного пациента. [Gizmodo; PhysOrg]

Носы и уши

Создание протезов ушей, носов и подбородков часто представляет собой болезненный, дорогой и трудоемкий процесс, как для пациента, так и для самого врача. Британский индустриальный дизайнер Том Фрипп в течение последних 5 лет совместно с учеными из университета Шеффилда, занимался разработкой более дешевого и более простого в изготовлении лицевого протеза, который можно получить при помощи 3D-печати. Процесс создания подобного протеза включает в себя 3D-сканирование лица пациента (что гораздо менее болезненно, чем его отливка), моделирование заменяемой части и ее печать, при которой используются пигмент, крахмал и медицинский силикон.

У таких протезов есть дополнительный бонус: когда он изнашивается (что в конечном счете все равно произойдет), его можно снова напечатать, причем в финансовом плане это обойдется очень дешево. [The Guardian]

Протезы глаз

Фрипп и команда Шеффилдского университета опубликовали результаты тестирования аналогичного процесса изготовления протезов для глаз. Глазные протезы стоят дорого, и так как они расписываются вручную, их изготовление может занимать несколько месяцев. Принтеры компании Fripp Designs за час могут изготовить 150 глазных протезов, причем такие детали, как цвет радужки, размер и количество кровеносных сосудов можно легко изменить в зависимости от нужд пациента. [PhysOrg]

Читайте также:  Картридж для смесителя elghansa 5620235

Функциональные импланты

По мере того, как электронные устройства – от дронов до медицинских имплантатов – становятся все меньше, ученые изо всех сил пытаются создать для них батареи, которые были бы достаточно малы, но вместе с тем могли бы обеспечить необходимый заряд. Впрочем, команда инженеров из Гарвардского университета с помощью 3D-принтера уже печатает микроаккумуляторы, размером с песчинку. Вот что говорится в пресс-релизе:

«… исследователи создали чернила для анода, используя наночастицы одного литиево-оксидного соединения, а также чернила для катода из наночастиц другого вида этого соединения. Принтер наносил чернила на зубцы двух золотых гребней, создавая таким образом плотно связанную структуру из анодов и катодов. Затем ученые поместили электроды в крошечный контейнер и заполнили его раствором электролита, чтобы получить батарейку».

Со временем они смогут заряжать медицинские имплантаты, применение которых сдерживается в связи с существующими проблемами их зарядки. [Harvard]

Кости

Имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, такие как челюсть, существуют уже несколько лет. Однако небольшая группа исследователей проводит эксперимент, цель которого — напечатать настоящие кости. К примеру, ученый Кевин Шейкшефф из университета Ноттингема изобрел биопринтер, создающий матрицы из полимолочной кислоты и желатинового альгината, которые затем покрываются стволовыми клетками.

Имплантированные матрицы постепенно будут растворяться и заменяться новой растущей костью: на полное преобразование кости уйдет примерно три месяца. [Forbes]

Кровеносные сосуды и клетки

Мы уже можем печатать органы, но существует серьезная проблема, связанная с созданием функционирующей системы кровообращения.

Немецкий ученый Гюнтер Товар, возглавляющий Институт межфазной инженерии и биотехнологий Фраунгофера, занимается проектом под названием BioRap. Его задача состоит в применении 3D-принтера для печати кровеносных сосудов, в ходе которой используется смесь из синтетических полимеров и биомолекул. Напечатанные кровеносные системы тестируются на животных – для внедрения в организм человека они пока не готовы. Однако в конечном итоге они сделают возможной пересадку печатных органов. [Fraunhofer Institute]

Как вы представляете себе перспективы 3D-печати живыми и замещающими их искусственными материалами для применения в человеческом теле? Скоро ли мы сможем выращивать и заменять полноценные органы, например печень? Поделитесь своим мнением в комментариях.

Источник

Когда мы сможем печатать новые органы на 3D-принтере

Миллионы людей в мире ждут своей очереди на пересадку органов. В одном только Китае в листе ожидания 1,5 млн человек, в США — 113 тыс., из них, в среднем, 20 человек в день умирают, так и не дождавшись донора. Новую почку — самый востребованный орган — приходится ждать от трех до пяти лет. Эту проблему можно решить: напечатав нужные органы на специальных 3D-принтерах.

Правда, не раньше, чем в ближайшие десять лет.

Как это устроено?

Принцип примерно тот же, что и в обычной 3D-печати: на специальном принтере мы получаем трехмерный объект.

Первый этап — предпринтинг: сначала создают цифровую модель будущего органа или ткани. Для этого используют снимки, полученные на МРТ или КТ.

Затем печатают, слой за слоем — эта технология называется аддитивной. Только вместо обычного 3D-принтера здесь специальный биопринтер, а вместо чернил — биоматериалы. Это могут быть стволовые клетки человека, которые в организме выполняют роль любых клеток; свиной коллагеновый белок или клеточный материал на основе морских водорослей.

Если клетки живые, их берут с помощью биопсии и подготавливают в биореакторе: пока они не размножатся делением до нужного количества. Во время печати биопринтер полимеризует клеточную структуру — то есть связывает ее с помощью ультрафиолетового света, нагревания или охлаждения. Клеточные слои связываются при помощи гидрогеля — органического или искусственного.

Затем полученную структуру помещают в биосреду, где она «дозревает» перед пересадкой. Это — самый долгий этап: он может длиться несколько недель. За это время структура стабилизируется, а клетки готовы выполнять свои функции.

Читайте также:  Липкое меню wordpress elementor

Потом орган пересаживают и следят за тем, как он приживается.

Помимо обычных аддитивных есть и другие биопринтеры. Одни из них печатают коллагеном непосредственно на открытую рану: так можно быстро нарастить новую кожу даже в полевых условиях. В этом случае этап дозревания (постпринтинга) пропускают.

Есть также принтеры, которые печатают в открытом космосе, в условиях невесомости. В будущем их можно будет применять на МКС:

История 3D-печати

Кто выпускает биопринтеры и сколько они стоят?

В мире более 100 компаний, которые выпускают биопринтеры для печати 3D. 39% из них — в США, 35% — в Европе (из них больше половины — во Франции и Германии), 17% — в Азии, 5% — в Латинской Америке.

В России биопринтеры выпускает 3D Bioprinting Solutions, она же занимается исследованиями в области биопринтинга.

Самый дешевый и компактный биопринтер — Tissue Scribe американской 3D Cultures, стоит от $1,5 тыс.

На втором месте — австралийский Rastrum от Inventia за $5 тыс.

Биопринтер Aether из США можно купить от $9 тыс.

Средний сегмент — от $10 тыс. и больше — представлен Bio X от CELLINK (Швеция), Regemat 3D испанской RX1 и канадским Aspect Biosystems.

От $100 тыс. стоят 3D Bioplotter немецкой EnvisionTEC, еще дороже — российский FABION (3D Bioprinting Solutions).

Наконец, самые дорогие биопринтеры — больше $200 тыс. — это NovoGen MMX от Organovo (США) и NGB-R от Poietis (Франция).

Помимо стоимости принтера, сам процесс печати — это еще плюс 15—20% от цены всего проекта. Еще дороже обойдется получение необходимого клеточного материала.

Почему напечатанные органы до сих пор не пересаживают?

Пока что самым успешным опытом оказалась пересадка хрящевых тканей — тех самых ушей китайским детям.

Небольшие кости из искусственных клеток печатают на принтере, а затем покрывают слоем. Их планируют пересаживать вместо сломанного или поврежденного участка, после чего они за три месяца полностью регенерируют. В будущем технологию хотят использовать для травм позвоночника.

Самое перспективное направление — 3D-печать кожи. Уже через пять лет обещают, что это можно будет сделать прямо на человеке, поверх или вместо поврежденного участка. Кожу и другие ткани печатают из клеток больных раком, чтобы протестировать различные варианты терапии.

Более сложные органы — такие как почки или сердце — пока что печатают только в виде прототипов или пересаживают мышам, но не людям.

Чтобы органы хорошо приживались и функционировали в организме человека, берут клетки пациента, а потом они делятся, пока их не будет достаточно для печати. Существуют целые институты, которые создают клеточные линии для биопринтинга. Но проблема в том, что у клеток есть предел деления, после которого они уже не пригодны для использования. Поэтому можно напечатать модель сердца, но не в натуральную величину — то есть оно не подходит для пересадки человеку.

Вторая проблема — в том, что напечатанный орган должен функционировать в связке с остальным организмом: переваривать пищу, выделять гормоны, доставлять кровь и кислород. За все это отвечает сложная система клеток, тканей, нервов и сосудов. Воспроизвести ее в точности пока что не получается.

Программное обеспечение для биопринтеров тоже на стадии разработки: чтобы довести его до совершенства, нужно обработать большой объем медицинских, клинических, статистических данных.

Наконец, технологии биопринтинга пока что никак не регулируются. Все исследования должны пройти все стадии тестов — в том числе на человеке, а потом — получения патентов.

Пока что эксперты прогнозируют внедрение технологий не раньше, чем через 10—15 лет. К тому времени биопринтеры и клеточные материалы станут широко доступными, и пользоваться биопечатью смогут даже в самых отдаленных регионах.

Что еще почитать:

Подписывайтесь и читайте нас в Яндекс.Дзене — технологии, инновации, эко-номика, образование и шеринг в одном канале.

Источник

Поделиться с друзьями
КомпСовет
Adblock
detector