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.
Читайте также: Паренхима тела плоских червей является покровной тканью
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]
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.
Принтер для живых тканей это
Технология, с помощью которой люди могли бы печатать других людей, воспринимается как фантастика. В ближайшей перспективе — так оно и есть. Но ученые уже научились воспроизводить кожу, ткани и внутренние органы. 3D-биопринтинг — это и есть печать человеческих органов и новая веха в медицине.
- Биопечать — это расширение традиционной 3D-печати.
- Биопринтинг воссоздает живые ткани, кости, кровеносные сосуды и органы для использования в медицинских процедурах, тренировках медперсонала и тестировании.
- Клеточная сложность живого организма привела к тому, что 3D-биопечать развивается медленнее, чем стандартная 3D-печать.
- Человечеству предстоит пройти долгий путь, прежде чем создать жизнеспособные органы для трансплантации человеку.
- Биопечать — это расширение традиционной 3D-печати.
- Биопринтинг воссоздает живые ткани, кости, кровеносные сосуды и органы для использования в медицинских процедурах, тренировках медперсонала и тестировании.
- Клеточная сложность живого организма привела к тому, что 3D-биопечать развивается медленнее, чем стандартная 3D-печать.
- Человечеству предстоит пройти долгий путь, прежде чем создать жизнеспособные органы для трансплантации человеку.
Читайте также: Идеи для бутылок тканями
Как это работает
Как это работает
Стандартные принтеры работают в двух измерениях: текст или изображение наносится на плоскую поверхность с использованием размеров Х и У — горизонтальный и вертикальный. Для печати в трехмерном пространстве добавляется Z — глубина.
Во время работы 3D-принтера головки перемещаются влево, вправо, вперед и назад, а также вверх и вниз, то есть в трехмерном пространстве. Вместо чернил 3D-принтер использует полимеры, металл, карамику, шоколад и другие материалы.
Сначала в программе для моделирования создается план предмета в цифровом формате и отправляется на печать. 3D-принтер разогревает материал и считывает план. Параллельно с этим головка перемещается в пространстве и слой за слоем воссоздает предмет.
После печати каждый слой охлаждается и твердеет. Это нужно, чтобы следующий слой печатался точно поверх предыдущего. Только так можно создать прочный предмет с подвижными соединениями.
Эта же технология легла в основу биопринтера. Отличие одно — материал. Последний использует биоматериал с добавлением живых клеток: например, для печати кровеносных сосудов и кожных тканей. Образцы клеток берутся у человека, для которого выполняется печать, и культивируются до нужных размеров. Иногда в роли чернил выступают стволовые клетки, свиной коллагеновый белок и морские водоросли (из которых получают полисахарид агароза).
Еще один вариант: хитозан — это полисахарид, получаемый либо из моллюсков, либо путем брожения грибов. Очевидные плюсы — высокая биосовместимость и антибактериальные свойства, минус — низкая скорость гелеобразования.
Как и для обычного принтера, биопринтеру нужен проект, на основе которого он будет печатать. Такие проекты создаются в специальных программах по результатам сканирований и МРТ. Чем точнее проект, тем больше вероятность, что головки принтера попадут в нужную точку. Воссоздание органического проекта с тонкими слоями занимает от нескольких часов до суток.
Одних клеток для печати недостаточно. Требуется каркас, к которому они будут крепиться. Основным материалом в этом случае выступает так называемый синтетический «клей», который примешивается к органике.
- Первый этап — «препроцессинг» — создание цифровой модели. Результат: полноценная цифровая модель, по которой биопринтер будет работать.
- Второй этап — непосредственно биопечать, «процессинг». В финале второго этапа получаются не органы и не ткани, а «тканевые и органные конструкции».
- Третий этап — «постпроцессинг» — заключается в упаковке и созревании клеток и тканей. Только после финального этапа то, что было напечатано биопринтером, становится похоже на ткани.
- Первый этап — «препроцессинг» — создание цифровой модели. Результат: полноценная цифровая модель, по которой биопринтер будет работать.
- Второй этап — непосредственно биопечать, «процессинг». В финале второго этапа получаются не органы и не ткани, а «тканевые и органные конструкции».
- Третий этап — «постпроцессинг» — заключается в упаковке и созревании клеток и тканей. Только после финального этапа то, что было напечатано биопринтером, становится похоже на ткани.
Читайте также: Какие мебельные ткани антивандальные
Идее самосборки — сто лет
Идее самосборки — сто лет
Технология биопринтинга базируется на явлении самосборки клеточных структур. Этот процесс, управляемый силами поверхностного натяжения и межбелковыми взаимодействиями, встречается в живом мире, начиная от формирования клеточных мембран и заканчивая образованием органов у эмбриона. Иными словами, этот процесс вы наблюдаете, когда заживает царапина или порез на руке.
Идея биопринтига родилась из предположения, что такие процессы самосборки реально воспроизвести вне живого организма. Впервые это предположение было высказано в конце XIX века немецким профессором анатомии Г. Борном после того, как он столкнулся с любопытным явлением. Однажды вечером Борн препарировал головастика, но работу пришлось прервать из-за ужина, чем профессор был немало раздосадован. Борн вернулся к работе только на следующий день и удивился, обнаружив, что рассеченные фрагменты головастика срослись.
Американский морской биолог Петер фон Вильсон — первооткрыватель уникального явления самосборки ткани вне организма. В 1907 году он проводил эксперименты на морских губках и заметил, что отсеченные клетки сращиваются между собой в единый организм.
Идейная основа биопринтинга заложена больше ста лет назад, и в этом смысле технология является не гениальным изобретением, а практическим результатом многолетних интенсивных исследований.
От клетки — к органу
Экспериментальное развитие печати органов началось около десяти лет назад. На первых этапах биопринтинг больше походил на создание деталей конструктора, исследователям удавалось воспроизвести лишь фрагменты тканей. Позже появилась возможность создавать сегменты органов, снабженные сосудами. Этот этап считается определяющим в развитии технологии биопринтинга.
Сейчас технологически можно производить цельный и полностью функциональный внутренний орган с сосудами. Но для создания органа, который будет пригоден для трансплантации, необходимо усовершенствовать постпроцессинг.
Над этой проблемой работает группа российских исследователей под руководством В. А. Миронова. Ученые стараются добиться ускоренного развития тканей, используя «волшебный коктейль» — комбинацию специфических биомолекул, факторов роста и развития.
Биопринтинг в космосе
В 2018 году лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions объявила о начале экспериментов по биопечати в космосе. В августе прошлого года на МКС отправили новую партию оборудования и материала. На этот раз на первом в мире космическом биопринтере планируется использовать органические и неорганические компоненты для сборки костной ткани.
Также космонавты выращивают белковые кристаллы и проводят эксперименты по печати биопленок бактерий, чтобы изучить их поведение в невесомости.
- 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