В данной статье рассматриваются перспективы биопечати органов человека на 3D принтере в России и во всем мире. А также текущий уровень развития данной технологии и примеры ее применения.
Ключевые слова: 3D-печать, медицина, биопечать.
Понятие 3D-принтера
3D-принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Эта технология широко распространена в строительстве, робототехнике, а также в медицине, о которой и пойдет речь в данной статье.
Биопечать ичто это такое
Биопечать — это прогрессивный раздел медицины, который образовался в ходе стремительного развития аддитивных технологий.
От научной фантастики до научных фактов, 3D печатные органы пробиваются в мир медицины. Сначала идея 3D-печати органов для трансплантации «по требованию» звучит как нечто из фильмов. Однако машины, которые обещают регенерировать живую человеческую ткань, заменить жизненно важные органы и быстро залечить открытые раны, намного ближе к реальности, чем вы можете себе представить. 3D-печатные органы уже используются в качестве учебных пособий для будущих хирургов, чтобы настроить свои навыки перед входом в реальные чрезвычайные ситуации. 3D-печатные костные замены также были успешно пересажены, но живая ткань является следующим большим шагом для этой новаторской технологии. Как и любая другая 3D-печать, слои укладываются друг на друга, но вместо PLA или ABS живые клетки, подвешенные в геле, используются для «создания» живой ткани. Клетки после этого растут для того чтобы сформировать и превратиться в ткань, косточку и даже все органы. Обещание того, что эта технология может сделать для человечества, велико. Во всем мире наблюдается нехватка доноров органов и 3D-биопечать может решить эту проблему. Умирающие люди могут получить 3D-печатный орган, сделанный из их собственных клеток, а не ждать в длинных очередях. Такая футуристическая мечта по-прежнему далека от реальности, но университетские лаборатории и частные компании уже предприняли первые тщательные шаги, используя технологию 3D-печати для создания крошечных фрагментов органов.
Регенеративная медицина уже имплантировала лабораторно выращенную кожу, трахеи и пузыри пациентам — части тела, выращенные медленно через сочетание искусственных лесов и живых клеток человека. Для сравнения, технология 3D-печати предлагает как большую скорость, так и компьютерную точность печати живых клеток слой за слоем, чтобы сделать замену кожи, частей тела и, возможно, в конечном итоге органов, таких как сердца, печень и почки.
Рис. 1
В наше время ученые всей планеты усердно трудятся над разработкой многофункциональных принтеров, которые могут напечатать работоспособные органы, пригодные для пересадки людям, такие как почки, печень и даже сердце. Любопытно, что уже сегодня опытные образцы биопринтеров способны к печати костных и хрящевых имплантатов, а также к созданию сложных биологических продуктов питания, в состав которых входят всем известные белки, жиры, углеводы и витамины.
Путь от простого принтера квысокотехнологичной биомашине
Поначалу принтеры для биопечати находились далеко от совершенства. Во время первых опытов в этой области ученые использовали обыкновенные струйные аппараты, усовершенствованные в ходе работ.
В 2000-м году биоинженер Тoмас Бoланд, посредством сложных вычислений и модификаций, изменил настройки и характеристики настольных принтеров Lexmark и HP для печати фрагментов ДНК.
Стало известно, что параметры клеток человека сравнимы с размерами капли чернил в обычном принтере и достигают 10 микрон. Исследования выявили результат, что 90 % клеток сохраняют функции и жизнеспособность в процессе их создания на 3D-принтере.
Рис. 2. Т. Боланд
В 2003 г. Т. Боланд запатентовал технологию печати клетками. С того момента возможность печатать органы на 3D-принтере перестала быть чем-то фантастичным. За несколько десятилетий исследования в лабораторных условиях превратились в быстро развивающуюся индустрию, которая способна печатать ушные раковины, клапаны сердца, а также воссоздавать кожу и костные ткани для пересадки.
В 2007 г. биопечать стала обретать коммерческие очертания. Первоначально ученым удалось получить более $500000 на развитие технологии биопринтинга, но уже к 2011 году размеры инвестиций очень заметно выросли.
На сегодняшний день под общепринятым названием «3D-биопринтинг — это технология создания объемных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати» скрыты сразу много смежных технологий биопечати. Для воссоздания органов на 3D-принтере используются фоточувствительный гель, специальная жидкость или порошковый наполнитель.
В зависимости от используемого устройства, рабочий материал подается из диспенсера (устройство для выдачи чего-либо) под видом постоянной струи или дозированными каплями. Данный метод используется для создания мягких тканей с низкой плотностью клеток — штучной кожи и хрящей. Костные имплантаты печатаются посредством послойного наплавления из полимеров натурального происхождения.
От теории кпрактике 3D-биопечати
Самым первым удачным экспериментом по созданию органов на 3D принтере состоялся в 2006 году. Группа ученых из частного исследовательского университета “Уэйк Форест” в США разработала и напечатала для нескольких подопытных пациентов мочевые пузыри. Для создания этого искусственного органа врачи использовали стволовые клетки. Образцы донорской ткани в специально предназначенной герметичной камере с помощью экструдера (машина для размягчения материалов и придания им формы) нанесли поверх макета мочевого пузыря, нагретого до нормальной температуры человеческого тела 36.6°C. Через 6–8 недель в процессе интенсивного роста и последующего деления клетки воссоздали человеческий орган.
Печатью органов на 3D-принтере в больших объемах занимаются всего несколько больших компаний. Наибольших же успехов в этой области достигли инженеры американской компании “Organovo”, которые смогли напечатать печеночную ткань. В ноябре 2014 года мир взбудоражила новость о том, что специалисты компании из той же компании “Organovo” успешно напечатали печень на 3D-принтере. В этот раз американские ученые воссоздали рабочую человеческую ткань, которая может осуществлять свои биологические функции и жизнеспособность в течение 5 недель. Произведенный орган предназначался для тестирования лекарственных препаратов, однако изобретатели, надеются, что в обозримом будущем приспособят свое оборудование для создания донорских органов. Пока же фармацевтические компании используют полученный в лаборатории “Organovo” материал для испытания на практике экспериментальных фармацевтических образцов. Такая система для проведения тестов позволит производителям лекарств разрабатывать безопасные и менее токсичные антибиотики. В пресс-центре компании-производителя заявили, что в скором времени “Organovo” и ее партнеры собираются выйти на рынок трансплантатов. Биоинженеры уже смогли напечатать на 3D-принтере жизнеспособные почки, которые сохраняют свои биологические функции и жизнеспособность в течение двух недель. Также компания производит коммерческие почечные ткани — их покупают фармацевты для изучения инновационных медицинских составов. Биоткань получила своё название — “exVive3D tissue”.
В свою очередь, японская компания “CyFuse” трудилась над моделированием клеточных соединений при помощи сфероидов, нанизанных на микроскопические жезлы.
Ученые из стран СНГ не отстают от своих коллег из других стран. В России успешно завершились биологические исследования, которые проводились компанией “3Д Биопринтинг Солюшенс”. Биоинженеры смогли напечатать жизнеспособную 3D-модель щитовидной железы. Орган, напечатанный на принтере, благополучно пересадили подопытной мыши. В процессе эксперимента ученые использовали высокотехнологичный отечественный 3D-принтер “3DBio”.
Биопечать развивается с гораздо более высокими темпами, чем прогнозировали аналитики и эксперты. Тем не менее, используемые технологии всё ещё далеки от совершенства в отличие от медицинских имплантов. Инженеры научились создавать высокоточные модели и воспроизводить самые разнообразные элементы человеческого костного каркаса — штучные фаланги пальцев, тазобедренные суставы, детали грудной клетки. Костные имплантаты изготавливаются с помощью метода селективного лазерного спекания из нитинола (никелид титана) — высокопрочного материала, схожего по своему биохимическому составу с костной тканью. В ходе печатного процесса используются 3D модели, созданные благодаря компьютерной томографии.
Также не стоит забывать о протезах из полимеров. Эти протезы кистей нельзя назвать органами, зато простота, с которой нуждающиеся могут получить механизм, благодаря которому они способны вернуться к нормальному образу жизни, заслуживает большого внимания.
Заключение
В наше время высоких технологий и научных прорывов во всех направлениях. 3D-Биопринтинг находится на пике своего развития, и способен если не решить, то помочь справиться с множеством проблем по изучению строения внутренних органов человека и принципов их работы. А также значительно продвинуть исследования в области искусственных имплантов.
Литература:
- https://make-3d.ru
- https://ru.wikipedia.org
- http://www.3dprinterprices.net
