Печать органов человека на 3D-принтере и как это устроено
Рубрика: Информационные технологии
Дата публикации: 16.06.2018 2018-06-16
Статья просмотрена: 2752 раза
Библиографическое описание:
Морозов, Н. А. Печать органов человека на 3D-принтере и как это устроено / Н. А. Морозов, М. А. Яценко, М. А. Петров, В. В. Ермолаева. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 24 (210). — С. 33-36. — URL: https://moluch.ru/archive/210/51478/ (дата обращения: 11.02.2022).
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.
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
Читайте также: Чем можно вывести строительную пену с ткани
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.
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”.
Читайте также: Влагоотталкивающая пропитка для ткани
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.
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.
3D-принтер на Arduino печатает функциональную человеческую кожу
По оценке ВОЗ, ежегодно около 11 млн пациентов в мире нуждаются в пересадке кожи после ожогов, а у 265 тыс. пострадавших повреждения кожи настолько обширны, что ведут к летальному исходу. Пересадка кожи требуется также в результате различных патологий, инфекций, после операций по удалению раковых опухолей, из-за генетических и соматических болезней.
Обычно для восстановления кожи используются аутогенные трансплантаты, когда участок кожи берут у самого реципиента. К сожалению, при большой площади ожогов бывает невозможно найти подходящие участки в достаточном количестве.
Медики пытаются исследовать разные технологии для получения подходящего заменителя, но пока что результаты далеки от идеальных. Результаты ненадёжные: материал получается слишком хрупкий, с ним трудно работать, после пересадки он слишком чувствителен к контакту. В общем, существующие методы изготовления дают чрезвычайно непредсказуемый результат.
В последние годы с помощью новых технологий учёным удалось разработать гораздо более продвинутые субстраты, в которых кожные и эпидермальные компоненты динамически взаимодействуют друг с другом как во время созревания в лаборатории, так и после трансплантации на тело человека. В частности, для изготовления таких субстратов сейчас активно применяется белок фибриноген (и его производный белок фибрин) — компонент плазмы крови, который синтезируется в печени. Этот белок оказался отличным материалом для искусственного субстрата кожи — он дёшев, доступен в большом количестве и удобен в работе.
Около десяти лет группа испанских исследователей впервые изготовила и опробовала субстрат искусственной человеческой кожи из плазмы кожи: см. статью «Clinical Results of an Autologous Engineered Skin», опубликованную в марте 2006 года в журнале Cell Tissue Bank (doi:10.1007/s10561-004-7253-4). Клинические испытания показали обнадёживающий результат, но сам процесс пересадки оставался сложным. Во-первых, требовался исключительно квалифицированный персонал: приживление такого субстрата — это научный проект, который выполняется учёными в лаборатории. Было практически нереально повторить его в средней больнице. Кроме того, выращивание субстрата занимало долгое время: 3-4 недели для выращивания одного квадратного метра.
Читайте также: Прихватки из джинсовой ткани в лоскутной технике
Учитывая большой спрос на искусственную кожу, учёные поставили цель оптимизировать технический процесс — сократить время и стоимость работ, а также максимально автоматизировать работу. И у них получилось.
Печать кожи на 3D-принтере
Как показали исследования последних лет, 3D-биопечать замечательно проявляет себя в печати тканей, печени и других живых органов. Инженеры изучили целый ряд новых материалов, подходящих для биопечати человеческих органов на декартовых координатных роботах (то есть на недорогих современных 3D-принтерах), в том числе гидрогели, полимеры и керамику (для костей). Значительный прогресс достигнут в разработке 3D-конструкции для печати сложных тканей. Общий подход заключается в печати предварительной матрицы слоёв на основе гидрогеля с целью последующего образования перекрёстных связей между ними и формирования 3D-каркаса, который будет поддерживать живые клетки и другие внеклеточные компоненты, встроенные в этот каркас. После определённого времени созревания в лаборатории эта напечатанная ткань или орган могут быть пересажены в организм человека.
Согласно обзору методов 3D-печати человеческой кожи (2016 год, журнал Trends in Biotechnology), здесь есть две основные стратегии: печать на месте повреждения или печать в лаборатории. Во втором случае тоже используются разные подходы.
Группа испанских учёных из Мадридского университета имени Карлоса III, Центра энергетических, экологических и технологических исследований, больницы Hospital General Universitario Gregorio Marañón и коммерческой компании BioDan Group разработали технологический процесс 3D-биопечати, который кажется им наиболее оптимальным, с учётом опыта, накопленного предшественниками. Они применили технику биопечати free-form fabrication (FFF) для печати слоёв с целью последующего образования перекрёстных связей между ними и формирования 3D-каркаса, как было описано выше. В отдельных слоях размещаются фибробласты и кератиноциты, полученные в результате биопсии кожи.
Биопринтер для печати человеческой кожи. В четырёх картриджах — плазма крови, фибробласты, хлорид кальция и кератиноциты. Печатью управляет контроллер Arduino (ATmega2560) с RAMPS 1.4 и ЖК-дисплеем. Принтер с двумя шаговыми электродвигателями работает на свободной прошивке Marlin, расчёт траекторий для нанесения слоёв выполняет программа Repetier 0.53. Для контроля объёма наносимой жидкости написан скрипт на C++
Приживление образца напечатанной человеческой кожи на мыши с иммунодефицитом прошло успешно. На иллюстрациях ниже показан гистологический анализ образца через 8 недель после пересадки.
Разработанный метод позволяет печатать функциональную человеческую кожу, используя простое оборудование на Arduino и дешёвые материалы: плазму крови, фибробласты и кератиноциты. Тесты показали, что напечатанная кожа очень похожа на настоящую. По мнению разработчиков, такой метод позволяет печатать кожу в объёмах, необходимых для клинического и коммерческого использования. Так, фрагмент кожи 100 см² изготавливается за 35 минут, включая 30 минут застывания фибрина.
Исследователи считают, что за счёт автоматизации и стандартизации печати можно ожидать в будущем значительного удешевления кожи.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом