Научно-фантастический мир 3D печати органов

Биопечать может в конечном итоге спасать жизни миллионов людей каждый год. Вот что вам нужно знать об этой инновационной отрасли.

3D-печать будет оказывать влияние практически на все основные отрасли промышленности в мире, включая здравоохранение. Мы уже видели, как 3D-печать может принести пользу отрасли здравоохранения с недавней пандемией коронавируса.

Ведущие компании по 3D-печати, такие как Carbon, Prusa Research и Formlabs, печатают защитные маски и важнейшие больничные инструменты для медицинских работников. 

3D-печать обещает изменить отрасль здравоохранения, чтобы предлагать пациентам такие вещи, как более умные лекарства и гипертонические протезы. Для врачей может стать обычным делом печатать органы для лечения пациентов. На самом деле это уже происходит. Исследователи из различных ведущих университетов делают 3D-печать основных действующих органов человека. В настоящее время во всем мире, и особенно в Соединенных Штатах, нехватка органов является основной растущей проблемой здравоохранения.

3D печатные органы могут спасти жизни людей

Из-за огромного спроса на органы было подсчитано, что  900 000 смертей в год можно предотвратить с помощью специально разработанных органов. В настоящее время в Соединенных Штатах насчитывается 113 000 мужчин, женщин и детей в национальном списке ожидания пересадки по состоянию на июль 2019 года. Каждые 10 минут  появляется новый человек в списке ожидания какого-то органа. 3D печатные органы являются жизнеспособным решением. Более того, эти инженерные органы выходят далеко за рамки практических преимуществ, поскольку они очень рентабельны. 

Например, согласно Национальному фонду трансплантации, стандартная пересадка почки может стоить в среднем более 300 000 долларов , тогда как 3D-биопринтер, принтер, используемый для создания органов с 3D-печатью, может стоить всего 10 000 долларов, при этом расходы, как ожидается, сократятся, так как технология развивается в течение следующих нескольких лет. Медицинские работники и исследователи воодушевлены грядущим веком 3D печатных органов.

Сегодня мы собираемся дополнительно изучить значение 3D-биопечати. Ожидается, что в течение следующих нескольких лет спрос на биопечать только возрастет. 

Основы: что такое 3D биопечать?

Процесс биопечати похож на многие знакомые вам процессы аддитивного производства – технологии послойного наращивания и синтеза объектов. Однако в этом случае при аддитивном производстве процесс включает в себя объединение клеток и факторов роста для создания тканеподобной структуры и, в конечном итоге, органов. 

Когда вы хотите что-то напечатать в 3D, первое, что вам нужно сделать, это создать цифровую модель, которая затем, в свою очередь, печатается в виде физического трехмерного объекта, используя термопласт, слой за слоем. Биопечать работает аналогично: исследователи создают модель ткани, которую они хотят создать, после чего следует процесс печати, который является конечным объектом слой за слоем. Однако поскольку в принтерах используются стерильные клетки, разрешение печати (высота слоя) и структура матрицы должны быть надлежащим образом подготовлены для печати.

Исследователи предпринимают конкретные шаги для обеспечения правильной печати органов. Прежде всего, на этапе подготовки производства медицинские работники создают цифровую модель для своей печати, используя такие технологии, как компьютерная томография и магнитно-резонансная томография. Затем принтеры подготавливаются и стерилизуются перед печатью для оптимизации жизнеспособности клеток.

Далее модель отправляется на принтер. Вместо того, чтобы использовать термопласт, исследователи используют bioink для печати своих структур. Чернила Bioink – это экструдированный слой за слоем со средней толщиной около 0,5 мм или менее. Bioink помещается в картридж принтера и используется для создания физической трехмерной модели. Наконец, на этапе постпроизводства после завершения печати исследователи механически и химически стимулируют деталь, чтобы обеспечить создание стабильных структур. Процессу затвердевания органа обычно способствует ультрафиолетовое излучение, специальные химические вещества или даже время от времени нагревание. 

Bioink – это «нить», используемая в биопринтерах

Источник: All3DP

Как уже упоминалось выше, Bioink используется для создания искусственных тканей, смоделированных в процессе компьютерной визуализации. Многочисленные различные свойства делают Bioink уникально идеальным решением для конкретной задачи. При дальнейшем осмотре вы поймете, что этот Bioink состоит из клеток и материала-носителя, который обычно представляет собой биополимерный гель.

Хотя Bioink может быть полностью сделан из клеток, этот биополимерный гель необходим для удержания клеток на месте, позволяя им расти, распространяться и даже размножаться, защищая клетки во время процесса 3D-печати. Без этого биополимерного геля процесс 3D-печати на ткани был бы гораздо более сложным. 

При печати на 3D принтере сопло(коническая насадка на конце трубки для регулирования выходящей струи материала), используемое для процесса печати, нагревается до высоких температур, чтобы расплавить пластик и создать нужную деталь. При использовании 3D-биопринтера процесс такой же, и снова подчеркивается важность полимера. Когда биоинк проходит через сопло принтера, тепло не должно «готовить» клетку.

Биополимерный гель предотвращает перегрев клеток во время процесса печати. Более того, во время этого же процесса вязкоупругие свойства геля предотвращают повреждение клеток в процессе выдавливания из сопла во время печати. 

Как заявили специалисты из  All3DP , «Bioink полагается на комбинацию нескольких полимеров для достижения некоторого среднего уровня, где соблюдаются химические, физические и биологические ограничения». Как правило, Bioink может включать что угодно, от гиалуроновой кислоты до коллагена, альгината, целлюлозы и даже шелка.

У людей уже есть 3D напечатанные органы?

Короткий ответ, да. Еще в 2017 году команда инженеров из Университета науки и технологий Пхохана разработала и напечатала в 3D то, что они назвали «био-кровеносными сосудами», используя материалы из человеческого тела в качестве шаблона для процесса. Кровеносный сосуд функционировал прекрасно без каких-либо проблем. Годом ранее исследователи из Гарвардского университета разработали новый тип материала специально для почек, что позволило команде исследователей создать важнейшие функциональные части почки. 

Испытания на людях для трансплантации биопечатной печени могут начаться уже в этом году. Идея биопечати человеческих органов больше не является чем-то далеким от реальности. Исследователи из частных компаний и ведущих университетов напечатали уши, легкие, кости и даже сердце.  

Технология биопечати далека от совершенства

Да, было много успешных попыток создания инженерных тканей и органов. Тем не менее, над технологией все еще нужно поработать, прежде чем она будет полностью адаптирована в ближайших к вам больницах. Есть некоторые очевидные препятствия, которые мы должны преодолеть.

Во-первых, биопечать должна стать быстрее, а также иметь возможность производить ткани с более высоким разрешением. Возможность 3D-печати органа в течение нескольких часов или минут может сделать 3D-печать более коммерчески привлекательной. В то время как более высокое разрешение позволит лучше взаимодействовать в 3D-микросреде и контролировать этот процесс.

Во-вторых, нам нужно больше биоматериала. На данный момент это похоже на печать только с несколькими нитями. Как и в случае с 3D-принтером FDM или SLA, вы используете разные печатные материалы для решения различных задач. То же самое относится и к миру биопечати.

Тем не менее, эта технология интересна и, как упоминалось выше, может спасти миллионы жизней в ближайшее время. Растущая конкуренция в частном секторе может способствовать появлению быстрых инноваций, необходимых для обеспечения жизнеспособности 3D-биопечати.

---

Больше интересного про 3D-биопечать:

3D-печать тканеподобных сосудистых структур

Этот 3D принтер делает костные имплантаты, которые естественным образом сливаются с телом