Биопечать органов на 3D принтере, как это работает?
Биопечать – это относительно новое направление в развитие медицины, которое появилось благодаря стремительному развитию аддитивных технологий.
В настоящее время ученые всего мира усиленно работают над созданием многофункциональных принтеров, способных печатать работоспособные органы, такие как сердце, почки и печень.
Примечательно, что уже сегодня опытные образцы биопринтеров способны напечатать костные и хрящевые импланты, а также создать сложные биологические продукты питание, в состав которых входят жиры, белки, углеводы и витамины.
От офисного принтера к сложной биомеханической машине
Первые принтеры для биопечати были далеко не совершенными. Для первых экспериментов ученые использовали обычные настольные струйные аппараты, модернизированные в рабочих условиях.
В 2000-м году биоинженер Томас Боланд перенастроил настольные принтеры Lexmark и HP для печати фрагментов ДНК.
Оказалось, что размер человеческих клеток сопоставим с размерами капли стандартных чернил и составляет примерно 10 микрон. Исследования показали, что 90% клеток сохраняют жизнеспособность в процессе биопечати.
В 2003 году Томас Боланд запатентировал технологию печати клетками. С этого момента печать органов на 3D принтере перестала казаться фантастикой.
За два десятилетия частные исследования в лабораторных условиях превратились в стремительно расширяющуюся индустрию, которой подвластны печать ушных раковин, клапанов сердца, трубок сосудов, а также воссоздание костной ткани и кожи для последующей пересадки.
В 2007 году биопечать стала приобретать коммерческие очертания. Сначала ученым удалось заполучить свыше $600000 на развитие биопринтинга, однако уже в 2011 году объемы инвестиций возросли до $24,7 миллиона в год.
Сегодня под общим названием «биопринтинг» скрываются сразу несколько косвенно связанных технологий биопечати. Для создания органов на 3D принтере могут использоваться фоточувствительный гидрогель, порошковый наполнитель или специальная жидкость.
В зависимости от используемой машины, рабочий материал подается из диспенсера под видом постоянной струи или дозированными капельками. Такой подход используется для создания мягких тканей с низкой плотностью клеток – штучной кожи и хрящей. Костные испланты печатаются методом послойного наплавления из полимеров натурального происхождения.
От теории к практике 3D-биопечати
Первый удачный эксперимент по созданию органов на 3D принтере состоялся в 2006 году. Группа биоинженеров из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine разработала и напечатала для семерых подопытных пациентов мочевые пузыри.
Врачи использовали стволовые клетки пациентов для создания искусственного органа. Образцы донорской ткани в специальной герметичной камере с помощью экструдера нанесли поверх макета мочевого пузыря, нагретого до естественной температуры человеческого тела.
Через 6-8 недель в ходе интенсивного роста и последующего деления клетки воссоздали человеческий орган.
Печатью органов на 3D принтере в полном объеме занимаются всего несколько компаний. Наибольших успехов на данной стези достигли инженеры американской компании Organovo, сумевшие напечатать печеночную ткань.
В 2014 году фармкомпании вложили в деятельность Organovo свыше 500 000 долларов.
Швейцарская компания RegenHu вплотную приблизилась к успехам американских коллег. Европейским разработчиком удалось создать лазерный и диспенсерный биопринтеры, печатающие биобумагой.
В свою очередь, японская компания CyFuse работает над моделированием клеточных соединений с помощью сфероидов, нанизанных на микроскопические жезлы.
Вначале 2014 года компания RCC заручившись поддержкой специалистов из Nano3D Biosciences создали первый коммерческий биопринтер. Аппарат не предназначен для печати органов, зато помогает фармацевтам исследовать медицинские препараты.
Вполне возможно, что в недалеком будущем продукция компании Rainbow Coral Corp будет повсеместно использоваться для изготовления фармацевтических препаратов.
Ученые из стран СНГ не отстают от западных коллег. Недавно в России успешно завершились биологические исследования, инициированные компанией «3Д Биопринтинг Солюшенс».
Бионженерам удалось напечатать жизнеспособную 3D-модель щитовидной железы. Штучный орган, напечатанный на принтере, успешно пересадили подопытной мыши. В ходе эксперимента использовался инновационный отечественный 3D-принтер 3DBio.
Детальнее узнать, как проходили исследования в лаборатории «3Д Биопринтинг Солюшенс» можно ознакомившись с видеороликом:
В ноябре 2014 мир всколыхнула новость о том, что специалистам компании Organovo удалось напечатать печень на 3D принтере. На этот раз американские ученые успешно воссоздали рабочую человеческую ткань, которая сохраняла свои способности в течение 5 недель.
Напечатанный орган предназначался для тестирования лекарственных препаратов, однако изобретали не отрицают, что в скором времени приспособят свое оборудование для создания донорских органов.
Пока же фармацевтические компании используют полученный в лаборатории Organovo материал для испытания экспериментальных фармацевтических составов.
Такой подход позволит производителям лекарств разрабатывать безопасные и менее токсичные антибиотики.
В пресс-центре компании-производителя говорят, что в ближайшее пятилетие Organovo и ее партнеры собираются освоить рынок трансплантатов.
Биоинженеры уже напечатали на 3D принтере жизнеспособные почки, которые сохраняют свои функции в течение двух недель. Также компания производит коммерческую почечную ткань – ее могут купить фармацевты для изучения перспективных медицинских составов.
Биоткань получила название exVive3D tissue.
Биопечать развивается быстрее, чем прогнозировалось. Тем не менее, используемые технологии далеки от совершенства. Другое дело медицинские импланты.
Инженеры научились моделировать и воспроизводить самые разные элементы человеческого костного каркаса – штучные фаланги пальцев, тазобедренные суставы, детали грудной клетки.
Костные импланты изготавливаются методом селективного лазерного спекания из нитинола (никилид титана) – высокопрочного материала, напоминающего по своему биохимическому составу костную ткань. В ходе печатного процесса используются 3D модели, полученные благодаря компьютерной томографии.
Не меньшей популярностью пользуются протезы из полимеров. Протезы кисти нельзя назвать органом, зато простота, с которой нуждающиеся могут получить механизм, позволяющий вернуть их к нормальному образу жизни, заслуживает внимания.
Стоимость подобного устройства не превышает 10-15 тысяч рублей.
Биопринтинг находится на пике своего развития, и мы продолжаем за ним следить. Оставайтесь вместе с нами, чтобы оставаться в курсе самых важных событий в мире 3D-печати.
Живое сердце напечатают на принтере целиком | Милосердие.ru
Фото с сайта muyinteresante.es
Сердце — удивительно сильный и в то же время очень уязвимый орган. Сердечнососудистые заболевания остаются причиной смерти №1 в мире, по данным ВОЗ, на них приходится 3 из 10 смертей.
В некоторых странах, благодаря медицинскому просвещению, пропаганде здорового образа жизни, отказа от курения и превентивным лекарственным терапиям, распространенность болезней сердца и сосудов снижается, как это произошло в США.
Лечение, однако, никогда не перестанет быть актуальным, и конечно, больше всего человечество заинтересовано в тех терапиях, которые позволят восстановить утративший жизнеспособность орган либо заменить его на новый, не опасаясь реакции отторжения.
В одной статье невозможно охватить все достижения медицинской науки в области кардиологии и кардиохирургии, мы остановимся на некоторых из тех, что уже сегодня приоткрывают дверь в будущее.
Копия сердца на 3D принтере стала тренажером для хирургов
Фото с сайта 3dprint.com
Операция, которую провели китайские врачи на сердце 9-месячного ребенка весной нынешнего года, не может не восхищать.
Маленький мальчик родился с тяжелейшим пороком сердца под названием тотальный аномальный дренаж легочных вен. При этом пороке артериальная кровь, минуя сердце, попадает в большие вены и в правое предсердие.
В дополнение к этому у малыша был атриовентрикулярный дефект предсердной перегородки, при котором кровь свободно перетекает между предсердиями.
Пройдя через перегородку, артериальная кровь оказывалась там, где ей полагалось быть изначально – в левом предсердии, и дальше совершала обычный путь по большому кругу кровообращения.
Трудно представить себе, что такое возможно, но дети с этим пороком рождаются доношенными, а сердце некоторое время справляется с ситуацией.
Малыш из Цзилиня сразу после рождения казался вполне здоровым, однако через некоторое время у него развилась сильная одышка, и в возрасте 9 месяцев он поступил в Педиатрический кардиоцентр Народной больницы Цзилиня в критическом состоянии из-за острой сердечной недостаточности и тяжелой пневмонии. При отсрочке лечения вероятность не дожить до своего первого дня рождения составляла для мальчика, по оценке директора Центра Чжан Ксуекина, 80%.
Но как спланировать операцию при таком сложном дефекте, основываясь лишь на снимках УЗИ? Как избежать осложнений в процессе хирургического вмешательства? Ведь такой порок чрезвычайно редок и исправить его очень сложно.
Специалисты Центра нашли выход. С помощью 3D принтера им удалось напечатать точную копию маленького сердца и на ней тщательно отработать последовательность действий при хирургическом вмешательстве.
«После тренировки на модели мы знали точно, где нужно сделать надрез и какого размера он должен быть.
Имея тщательно разработанный план, мы потратили всего половину того времени, которое было запланировано на операцию», — говорит Чжан Ксуекин.
Малыш чувствует себя хорошо, и врачи считают, что в дальнейшем он будет почти или даже полностью здоровым.
Первое в мире бионическое сердце, работающее без пульса
Человеку его пока что не пересадили, но планируют сделать это в скором времени. А вот овечка с непульсирующим бионическим сердцем, полученным ею в январе 2016 года, не только жива, но вполне здорова и активна.
Что заставило австралийских ученых из Технологического университета Квинсленда заняться поиском нового конструктивного решения?
Дело в том, что существующие модели искусственного сердца довольно крупные и недолговечные. Одна из конструктивных особенностей — наличие мешочка, похожего на воздушный шарик, который со временем рвется, ведь искусственное сердце совершает миллиарды ударов в год.
Новое бионическое сердце BiVACOR для продвижения крови по кровеносной системе использует вращение двух титановых дисков под действием магнитной левитации со скоростью 2000 оборотов в минуту. Срок службы искусственного сердца увеличился примерно на 10 лет, так как в нем нет трущихся деталей и полностью исчез пульс.
Для испытаний на человеке ученым требуется финансирование на дальнейшие исследования. При удачном стечении обстоятельств уйдет год для подтверждения безопасности и работоспособности устройства и от 3 до 5 лет на то, чтобы полностью адаптировать модель для человека.
Стволовые клетки: починить и даже вырастить сердце
Место действия — снова Австралия, Брисбен. Буквально на днях в исследовательской лаборатории больницы принца Чарльза ученые продемонстрировали журналистам живую пульсирующую ткань сердца, выращенную из стволовых клеток.
Они полагают, что в будущем созданные таким образом клетки сердца будут использоваться для восстановления поврежденной при инфаркте или в результате другого заболевания ткани сердечной мышцы.
Будучи доставленными в определенный отдел сердца, клетки начнут расти и «чинить» поврежденный участок.
Можно ли вырастить человеческое сердце из дифференцировавшихся стволовых клеток?
«В теории — да!», — говорит доктор Натан Палпант, ведущий исследования в Институте молекулярной биологии Квинсленда, работающий в составе интернациональной команды над следующим поколением сердечных трансплантатов.
Сложность заключается в том, что вырастить требуется не просто ткани разных типов сердечных клеток. У сердца есть архитектура, ткани должны заполнить определенный каркас, чтобы сконструировать рабочий орган.
На сегодняшний день американским ученым из Гарварда и Массачусетса удалось вырастить человеческое сердце, используя в качестве каркаса донорское сердце, клетки которого заместили выращенными из стволовых, которые, в свою очередь, были получены из клеток кожи пациента. Когда через сердце пропустили электрический ток, оно забилось.
Принципиально важно то, что донорское сердце для традиционной пересадки очень сложно подобрать так, чтобы оно не вызвало реакцию отторжения. Клетки же, выращенные из собственных клеток реципиента, такой реакции вызвать не могут.
В настоящее время ученые работают над тем, чтобы создать оптимальные условия для выращенного сердца, максимально приближенные к естественной среде человеческого тела и ускорить время созревания органа.
Биопечать одного клапана…
Принципиальная задача, однако, научиться создавать трансплантаты, не прибегая к использованию донорских органов. Исследователи Денверского университета (Колорадо, США) надеются, что они смогут решить эту проблему. Для биопечати они используют сравнительно недорогой 3D принтер BioBot 1. Первым этапом их работы стала печать клапанов сердца.
В настоящее время кардиохирурги вполне успешно используют клапаны из искусственных материалов, но здесь есть одна сложность: для растущего детского сердца такой клапан может быть лишь временным, а вот живой клапан будет расти вместе с сердцем и не потребует очередного хирургического вмешательства.
«Чтобы внедрить аортальный клапан, пациентам обычно делают множество операций. Метод инвазивный, а потому это не лучший подход к решению проблемы. Создавая клапаны биоинженерным способом, мы можем вживить в сердце клапан, который будет расти вместе с ребенком» — говорит доктор Али Азадани, директор Лаборатории сердечной биомеханики Денверского университета.
Исследователи уже начали печатать сердечные клапаны, сформированные на основе магнитно-резонансных и компьютерно-томографических сканов сердца пациента.
Сердечный 3D-клапан был напечатан за 22 минуты, но команда пока работает над тем, чтобы он был полностью совместим с живыми тканями.
Чтобы соединить клетки тела человека с напечатанным сердечным клапаном, ученым требуется биореактор (камера, в которой создана среда для «дозревания» органов).
Команда исследователей Денверского университета в начале пути, однако они полагают, что разрабатываемая ими биотехнология со временем станет реальной терапией.
…или биопечать всего сердца: фантастика или реальность?
Фото с сайта 3dops.co
Если послушать Стюарта Вилльямса, директора Института кардиоваскулярных инноваций (Луисвилль, США), то задача неосуществимой не кажется: «Осмелюсь заметить, один из простейших объектов биопечати – сердце.
Это всего лишь насос с трубочками, которые необходимо соединить между собой, – говорит он.
– Нужно взять всего два комочка жира, каждый размером с шарик для гольфа – и у вас будет достаточно клеток для того, чтобы воссоздать практически все самые важные кровеносные сосуды сердца».
Некоторые эксперты, впрочем, считают, что, несмотря на всю заманчивость, теория так и останется теорией, ведь важно не просто воспроизвести орган с помощью 3D печати, нужно, чтобы он «созрел» в биореакторе, а затем начал жить и функционировать в человеческом организме, а это задача не из легких. Однако перспектива заменить пришедшее в негодность сердце пациента на здоровое, напечатанное из его собственных клеток, которые сменили свой профиль, столь заманчива, что исследователи разных стран мира упорно работают над ней.
Впрочем, целью исследователей является не только сердце, но и печень, почки, и другие органы.
Один из пионеров биопечати — профессор Энтони Атала, директор Института регенеративной медицины Вейк Форест (Новая Каролина). Выше мы говорили о пульсирующей сердечной ткани, впервые выращенной на основе стволовых клеток, а научная группа Аталы весной 2015 года впервые напечатала миниатюрные участки сердечной ткани, способные сокращаться.
Сердечные клетки были получены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые, в свою очередь, стали результатом генной модификации клеток человеческой кожи.
Миниатюрный орган, напечатанный на специализированном биопринтере, поместили в среду с температурой, соответствующей температуре человеческого тела.
При помощи электрической и химической стимуляции исследователи смогли менять режим сокращения ткани.
Конечно, для создания сердца сокращающейся ткани недостаточно. Нужны еще 4 части: клапаны, коронарные сосуды, сосуды микроциркуляции крови и электросистема. Команде Стюарта Вилльямса из Луисвилльского института кардиоваскулярных инноваций удалось создать небольшую часть сердца с кровеносными сосудами и вживить их «пациенту» — пока что мыши.
Очередная сенсация от команды Энтони Аталы тоже не обошлась без участия мыши: в феврале нынешнего года они напечатали орган, пересадили его животному, и он не только прижился, но и заработал! Орган, правда, попроще сердца: это ухо размером 2,5 см, но оно сформировало хрящевую ткань и кровеносные сосуды, то есть успешно интегрировалось в живой организм.
Научный прорыв стал возможным благодаря новому биопринтеру Института Вейк Форест. Это ITOP (Integrated Tissue and Organ Printing System), или Объединенная система для печати тканей и органов.
Главное его преимущество заключается в том, что он может печатать васкуляризированные, то есть обладающие сетью кровеносных сосудов, ткани.
Васкуляризированные органоиды после имплантации хорошо приживаются и полностью интегрируются в организм, как это и произошло с ухом.
Сколковская мышь
Фото с сайта fotolia.com
Особенно радует, что от американских ученых на этом поприще не отстают и наши соотечественники. В феврале нынешнего года компания-резидент «Сколково» объявила о том, что ее команда исследователей на первом разработанном в РФ биопринтере напечатала щитовидную железу и успешно вживила ее мыши.
Вице-президент фонда «Сколково», исполнительный директор кластера биомедицинских технологий Кирилл Каем считает это важным достижением, потому что щитовидка — не такой уж простой для печати орган.
А это значит, что ученые уже идут по тому пути, который может привести к биопечати сердца.
Кирилл Каем оценивает время, необходимое на освоение печати органов в 15 лет. «Условно говоря, с технологической точки зрения, я надеюсь, что мы сможем печатать органы человека и получать их в нужном качестве в течение семи-восьми лет. А оставшееся время уйдет на внедрение в клиническую практику хотя бы на уровне клинических испытаний».
Прогноз нашего соотечественника примерно совпадает с перспективным планом Стюарта Вилльямся, рассчитанным на 10 лет. Вилльямс говорит, что некоторые из коллег-медиков смеются над его амбициозным намерением сравнительно через небольшой срок напечатать человеческое сердце.
«Я рад, что они смеются, — добавляет он. — Это тот самый вызов, который мне так необходим».
Источники:
3D Printed Heart Replica Helps Save the Life of a Nine-Month-Old Baby
Stem cells grow heart tissue in breakthrough research
This world-first bionic heart works without a pulse
Scientists Grow Full-Sized, Working Human Hearts From Stem Cells
Denver University Researchers Bioprint Artificial Heart Valves with BioBot 3D Printer
The World’s First 3D Printed Beating Artificial Heart Cells
Проще всего напечатать сердце: невероятные факты про биопечать
How close are we to a 3D-printed human heart?
Каем: органы человека на биопринтере сможем «печатать» через 7-8 лет
3D печать органов: лучше ампутировать ногу, чем лечить перелом
Печать органов на 3D принтере или биопринтинг — перспективная технология выращивания здоровых и живых органов взамен поврежденных или отсутствующих. Кроме 3D-принтера, для биопринтинга нужна модель органа, клеточный материал пациента и среда, где орган сохранится до имплантации.
Напечатанные органы лучше протезов и трансплантированных частей тела. Их возможности идентичны родным и они не отторгаются иммунной системой, если созданы из ДНК пациента. Биопринтинг сократит время на получение нужного органа и сохранит жизнь больным, которым нужна незамедлительная пересадка.
Печать органов на 3Д принтере уже успешно опробована на животных. Ученые Северо-Западного Университета внедрили стерилизованным мышам искусственные яичники и они родили здоровых мышат. В китайской компании Sichuan Revotek макакам-резусам имплантировали кровеносные сосуды, выращенные из материала этих же макак.
Из человеческих частей тела, пока печатаются только внутренние ткани и кожа. Создаются уменьшенные, но работающие копии ушей и носов. Первая печать органов человека ожидается к 2030-му году.
Как работает биопринтинг
Исследовательские группы или компании развивают разные концепции биопечати:
- Каркасная. Наращивание живых клеток на неорганическую основу, исчезающую с развитием естестественных связей между клетками. Главная сложность — подобрать материал, который настолько же эластичный или жёсткий, как заменяемый орган. Он должен быстро деградировать, чтобы не мешать укреплению межклеточного матрикса и раствориться, не оставив токсичных соединений. Для каркасной печати подходит гидрогель, титан, желатин, синтетические и биополимеры.
- Бескаркасная. Нанесение готовыми клетками на гидрогелевую основу. Пока клетки в принтере, они охлаждены и находятся в тонких гидрогелевых сфероидах. При печати температура повышается до 36,6°, сфероиды рассеиваются и клетки постепенно сами формируют природный каркас — клеточный матрикс. Эта печать менее распространена, чем каркасная — появилась позже и сложнее воспроизводима.
- Мимикрия. Технология будущего, предполагает создание полных копий органов сразу. Для неё разрабатывается биопечать на молекулярном уровне и проводятся глубокие исследования природы клеток.
Способы 3D печати органов
Струйные. Первые устройства для биопечати были струйными, этим методом печатают и обычные принтеры. Они хранят биологический материал в картриджах, который распыляется на гидрогелевую подложку, как краска на бумагу.
Недостатки — неточный выброс капель и закупорка распыляющего сопла с возможной гибелью клеточного материала. Струйная печать органов на принтере не подходит для вязких материалов, поскольку они не распыляются. Область применения ограничивается восстановлением костной, хрящевой ткани, мышц и кожи.
Достоинства — дешевизна и массовая воспроизводимость.
Микроэкструзионные. Этот способ применяется в неорганической 3D-печати. Для печати используется пневматическая подача материала в подвижную головку-экструдер, которая укладывает клетки. Чем больше головок, тем точнее и быстрее работает принтер.
Недостатки — чем плотнее укладываются клетки, тем меньше их выживает. При сопоставимой плотности укладки, от микроэкструзионной печати погибает больше клеток, чем при струйной печати.
Достоинства — подходит для 3D печати органов высокой плотности, тонкая настройка подачи материала за счет регулирования давления.
Лазерные. Распространены в промышленности, но применяются в биопечати. Используют лазер для нагревания стекла с жидким клеточным субстратом. В точке концентрации луча создается избыточное давление, которое выталкивает клетки на нужный участок подложки.
Между лучом и стеклом с биоматериалом размещается отражающий элемент, которая снижает мощность луча. Недостатки — повышенное содержание металла в клетках от испарения отражающего элемента. Цена. Достоинства — контролируемая вплоть до отдельных клеток, укладка биоматериала.
Кто предлагает 3D печать органов
Биопринтинговые компании, которые предлагают 3D-печать органов или продают биопринтеры:
- Organovo — Сан Диего, США. Печатает и продаёт ткань печени «exVive3D» фармацевтическим компаниям. В 2009, Organovo совместно с австрийской Invetech выпустили первый серийный принтер для биопечати — Novogen.
- BioBots — стартап, презентовавший дешевый коммерческий биопринтер на TechCrunch 2013. Сегодня для покупки доступна модель Biobot 1, Biobot 2 пока в разработке, но уже представлен на сайте компании.
- 3D Bioprinting Solutions — Россия, Москва. Сосредоточена на бескаркасной печати, разработала свой 3D-принтер FABION и работает над собственной технологией органопринтинга
- Cyfuse Biomedical — Токио, Япония. Разработали биопринтер Regenovo, который применялся для печати кожи и успешно выращивал 2-мм сосуды.
Сколько стоит 3D-биопринтер
Средняя цена биопринтера — четверть миллиона долларов, но доступны и бюджетные модели ценой до $10 000. Большинство принтеров, доступных для покупки — экструзионного типа и работают с каркасной печатью.
- 3D Bioplotter — $200,000. Envision TEC, Германия.
- Novogen MMX — $250,00. Organovo, США.
- Biobot 1 — $10 000. Biobots, США.
- 3DDiscovery — $200,000. RegenHU & Biofactory, Швейцария.
- BioAssemblyBot — $160 000. Advanced Solutions, Нидерланды.
Поддержка больного аппаратами жизнеобеспечения стоит около $75 тыс. в год. За 10 лет, больной потратит $1 млн. Принтер стоит $200, 000 и примерно столько же — операция. Учитывая, сколько стоит печать органов, операция с применением 3D биопринтинга удешевляется на 50%.
Перспективы биопечати
3D биопечать прошла путь от концепции до работающей и коммерчески успешной технологии. Пока основные клиенты биопринтинговых компаний — крупные фармацевтические корпорации. Они ускоряют тестирование лекарств, сразу испытывая их на распечатанных тканях человека.
Дорогие биопринтеры не появятся в городских клиниках через 5 лет, но некоторые пациенты уже выздоравливают благодаря 3D печати. Челюсть 83-летней женщины из Бельгии поразил остеомиелит.
Восстановление стоило дороже и продлилось бы дольше, чем удаление больной челюсти и имплантация распечатанной новой. Команда врачей под руководством профессора Жюля Пукана выполнила операцию и женщина могла говорить сразу после операции.
Развитие биопечати приведёт к медицинской практике, где проще удалить поврежденную конечность и вырастить новую, чем лечить травмы, которые сейчас лечат без ампутации.
Медицина далекого будущего минимизирует механическое вмешательство в организм. Скальпель останется в прошлом — рой нанороботов будет печатать органы сразу внутри организма.
На 2018, намечена полноценная печать человеческого органа на принтере — почки. Затем распечатают бронхи, артерии и сердце.
Но даже до клинических испытаний на людях около 10 лет, а массовая 3D печать органов человека и частей тела наступит ещё позже.
Кроме врачей, биопринтинг привлекателен для косметологов и пластических хирургов. Желание оставаться молодым и красивым, а не лечение редких и сложных болезней, сделает 3Д печать органов человека массовой. Возможно, люди будущего будут менять органы и внешность так же просто, как смартфоны.
Клетки сердца, генерируемые с применением 3D-принтера, помогут пациентам, пережившим инфаркт
Человечество приблизилось еще на один шаг к осуществлению мечты о возможности 3D-печати тканей сердца человека, с прорывом, осуществленным учеными из научно-исследовательского института сердца в Сиднее (HRI).
Исследователи используют новый биопринтер для печати клеток, которые, как они утверждают, могли бы заменить поврежденные клетки сердца пациента.
“Когда пациенты поступают к нам, они предоставляют свои клетки кожи”, рассказал д-р Кармайн Джентайл, сотрудник HRI. “Ведь они способны генерировать стволовые клетки, а из них уже можно получить клетки сердца”.
“Бьющиеся” стволовые клетки могут быть напечатаны и помещены в ткани, которые закреплялись бы прямо в сердце пациента, чтобы восстановить поврежденные после приступа клетки.
“3D-ткани сердца будет использоваться для замены поврежденных тканей у пациента”, утверждает д-р Джентайл.
Клетки, созданные научно-исследовательским институтом “бьются все вместе”, прямо как живой человеческий орган.
“Клетки ведут себя как настоящее сердце. Поразительно, что нам удалось идентифицировать их в нашей лаборатории”, заявляет д-р Джентайл.
В случае успеха, новый подход может радикально изменить методы восстановления тканей людей, переживших сердечный приступ.
Современные методы лечения после инфаркта включают в себя пластическую операцию на сосудах, при которой для расширения или сужение коронарных артерий используется специальный воздушный шар, а также реперфузионная терапия, включающая в себя прием тромболитиков и укрепление артерий с помощью трубочных каркасов (стентов).
Но лечение подходит не всем пациентам, как заявила кардиолог Гемма Фигтри (Gemma Figtree), из Института медицинских исследований Коллинга (Kolling Institute).
“Нам не удалось найти решение в области замены рубцовой мышцы или регенерации сердца. Это один из святых граалей сердечно-сосудистых исследований на данный момент, и, похоже, у нас появилось один из потенциальных решений”, утверждает д-р Фигтри.
Биопринтер, уникальный в своем роде в Австралии, может стать ответом.
Профессор Фигтри заявила, что в конечном итоге будет разработано сердце, которое снова сможет эффективно перекачивать кровь.
“Заменив мертвые сердечные клетки мышц теми, которые функционируют более эффективно, мы можем решить проблему сердечной недостаточности, что привело бы к улучшению дыхания и качества жизни пациентов”.
3D-сердце для тестирования побочных эффектов медицинских препаратов
Кардиологи считают, что новое 3D-печатное сердце может быть использовано для тестирования новейших лекарственных средств для отдельных пациентов.
Д-р Джентайл заявил, что они уже изучают, каким образом такой подход мог бы помочь в выявлении побочных эффектов, имеющихся у лекарственных препаратов.
“Это поразительное наблюдение. Такой вид тестирования позволит нам определить в очень короткий срок, какие побочные эффекты, наблюдались бы у пациентов”, считает он.
Исследователи надеются, что такой вид терапии станет доступен пациентам хотя бы в течение следующих пяти лет.
3D принтеры в медицине — область применения и перспективы развития печати
Технологии 3D-печати впервые были применены в стоматологии. В конце 1990-х годов компания Align Technology начала производить капы для выращивания зубов с использованием 3D-принтеров.
Однако первый имплантат удалось напечатать фирме LayerWise лишь в 2012 году. Тогда же состоялась первая операция по вживлению титановой нижней челюсти, изготовленной с помощью 3D-печати.
3D-печать в медицине
Какими достоинствами обладают протезы костей, созданные при помощи технологий 3D-печати? Во-первых, высокая скорость изготовления. Стандартное создание протезов занимает слишком много времени, которого у пациента может и не быть. Печать протезов же происходит довольно быстро.
Во-вторых, малый вес, который также может подвергаться изменениям в ту или иную сторону. Все зависит от степени пористости протезов, которые часто изготавливают из титана. В-третьих, эта самая пористая структура способствует более быстрому обрастанию протезов живыми тканями.
С помощью технологий трехмерной печати врачи успешно устраняют проблемы с межпозвоночными дисками, которые могут появиться из-за активных занятий спортом или по причине возникновения опухоли спинного мозга.
Материалы для изготовления позвонков обладают пористой структурой, поэтому готовые имплантаты быстро зарастают костной тканью и превращаются в полноценную часть человеческого тела.
Единственным недостатком этого метода лечения является довольно продолжительный реабилитационный период.
В 2013 году американские медики впервые провели операцию по замене костей черепа пострадавшего в ДТП. Благодаря титановым протезам, напечатанным на 3D-принтере, удалось заменить 70% черепа пациента!
Считается, что подобные процедуры ежемесячно могут спасать жизни сотен людей, получивших травмы в результате автомобильных аварий и боевых действий. Кроме того, возможно успешное лечение пациентов, страдающих от опухоли головного мозга.
Импланты и протезы, напечатанные на 3D-принтере, также применяются при операциях на ключицах, лопатках, тазобедренных костях и т.д. Например, не так давно американская компания Conformis впервые вживила пациенту коленный сустав нового поколения.
Раньше для замены коленного сустава долго подбирали протез, а затем обтачивали кость, чтобы внедрение импланта завершилось успешно. Теперь же эта процедура выполняется лишь с помощью компьютерной томографии и печати подходящего протеза.
3D-принтеры используются и для печати объемных моделей внутренних органов человека. Например, перед операцией создается точная копия сердца пациента. Таким образом хирург составляет максимально подробный план предстоящей операции, ориентируясь не только на результаты сканирования, но и на индивидуальные особенности этого органа.
Операции, проведенные с помощью 3D-принтеров
В России
В 2017 году в НИИ онкологии им. Н.Н. Петрова была осуществлена пересадка костного имплантата, напечатанного на 3D-принтере. Группа врачей во главе с профессором Георгием Гафтоном три с половиной часа спасала пациента от раковой опухоли, возникшей в лонной кости.
Чуть позже медики из НИИ онкологии им. Н. Н. Петрова провели другую операцию. На этот раз больному пришлось удалить переднюю часть нижней челюсти, которую заменили на титановый протез.
За его создание отвечала компания «3D Медицинские системы».
Хотя пациенту пришлось пройти трудный послеоперационный период (регулярное ношение специальной маски и питание через шприц), операция была признана успешной.
Интересно, что финансированием подобных операций занимается государство. Так, взрослые пациенты могут рассчитывать на сумму до 800 тысяч рублей, дети ― до 1,6 миллиона рублей.
За рубежом
В 2016 году шведские ученые из Wallenberg Wood Science Centre совместно с профессором Полом Готенхолмом осуществили вживление искусственных хрящевых тканей в организм подопытных мышей. При помощи биочернил Cellink, в состав которых входят бурые водоросли, целлюлозные волокна и клетки человеческих хрящей, исследователи сумели напечатать на 3D-принтере качественные имплантаты.
Внедрение напечатанного хряща в организм подопытной мыши прошло успешно. После этого ученые добавили в состав хряща стволовые клетки из костного мозга и повторили эксперимент.
Эти исследования позволили шведам обсуждать возможность проведения клинических испытаний на людях. Вполне вероятно, что хрящи, напечатанные на 3D-принтерах, будут использоваться не только при лечении различных травм и онкологических заболеваний, но и в пластической хирургии.
Перспективы развития 3D-печати в медицине
Ортопедические корсеты
Российское изобретение под названием GS3 ― это специальный ортопедический корсет для спины, созданный с использованием технологий трехмерной печати. Данный корсет предназначен для пациентов, проходящих курс реабилитации после серьезных травм или операций.
Основное преимущество корсета GS3 ― возможность индивидуальной подстройки. Благодаря встроенным гироскопам и акселераторам, работающим через Bluetooth, корсет не сковывает человека в движениях, при этом осуществляя постоянную поддержку спины и поясницы.
Развитие в стоматологии
Использование 3D-печати в стоматологии позволяет создавать качественные и долговечные модели вкладок, накладок, коронок, виниров и мостов для их дальнейшего внедрения в организм. Различные материалы, используемые для печати пломб, не только обладают высоким уровнем биосовместимости, но и могут применяться для лечения слегка поврежденных зубов.
С помощью 3D-принтеров можно моделировать большое количество необходимых объектов за одну сессию. Более того, все напечатанные модели сохраняются в системе и могут быть использованы в будущем, например, для автоматического моделирования зубов.
Печать человеческих сердец
Американская компания BIOLIFE4D на текущий момент занимается созданием искусственных сердец, для печати которых предполагается использовать клетки пациентов. По мнению основателей этого стартапа, трехмерная печать человеческих сердец навсегда решит проблему с дефицитом трансплантатов.
Сердце, напечатанное на 3D-принтере при помощи собственных клеток больного, не будет раздражать иммунную систему и сможет успешно заменить настоящий орган.
https://www.youtube.com/watch?v=-n8TiD9gQ4E
Новые технологии позволяют надеяться на колоссальные перемены в области медицины. При помощи 3D-принтеров сегодня создаются разнообразные протезы, имплантаты, фрагменты внутренних органов, костей и т.п.
И хотя на сегодняшний день трехмерная печать чаще всего применяется лишь стоматологии и хирургии, не так уж и далек тот день, когда медики получат возможность создавать все человеческие органы и части тела.
Применение 3D-технологий в биопринтинге миокарда сердца
В статье рассмотрен вопрос необходимости применения 3D-технологий в кардиохирургии. Показаны преимущества использования 3D-моделей в биопринтинге миокарда сердца.
Определены страны-лидеры в использовании 3D-технологий и рассмотрены их достижения в кардиохирургии.
Предложен метод, с помощью которого будут получены составные элементы для печати миокарда сердца, а также материалы, с помощью которых будет произведена эта печать.
Ключевые слова: 3D-печать, лист Мёбиуса, миокард, сфероид, умные материалы
Рассмотрим обоснование необходимости применения 3D-печати в кардиохирургии. Известно, что практическое применение технологии объемной 3D-печати позволяют врачам оперативно получать недорогие модели для планирования операций, так, например, данные магнитно-резонансной томографии могут быть преобразованы в точную модель органа пациента [1].
Кроме того, применение биосовместимых материалов позволяет на текущем этапе развития технологий выполнять объемное прототипирование необходимых, с учетом индивидуальных особенностей, человеку органов, что применяется в протезировании межпозвоночных дисков, фрагментов печени и пр.
Так же можно отметить, что 3D-модели позволяют анализировать различные сложные ситуации, например, при предоперационном планировании операции на сердце [2].
Такое, достаточно широкое распространение технологий прототипирования биообъектов связано с рядом преимуществ, которые могут быть получены при использовании 3D моделей:
1) возможность смоделировать орган до начала операции;
2) сократить операционное время;
3) уменьшить усталость операционной команды;
4) ускорить выздоровление пациента;
5) уменьшить процедуры «переделки»;
6) возможность многократного повторения процедур.
3D-модели также могут оказаться полезны для общения врачей, особенно из разных отраслей медицины; позволяют легко передавать пациенту сложные медицинские объяснения, увеличивают вероятность благоприятного исхода; облегчают обучение студентов; полноцветные 3D — модели позволяют лучше понимать данные из других областей анатомии [3–4]. В таблице 1 представлены лидирующие на данный момент страны в вопросе 3D-печати и их достижения.
Таблица 1
Страна
Достижения (год достижения) [1]
Австралия
Операция по восстановлению шейных позвонков больному с диагнозом «хордома двух шейных позвонков» (2013)
Великобри-тания
Моделирование частей черепа по результатам компьютерной томографии и построенной 3D- модели (2015)
Германия
Печать костных хрящей, имплант для носа, ушей, коленных чашечек (2014)
Китай
Технология 3D- биопечати с имплантацией (2013)
Россия
Печать щитовидной железы (2015)
США
Печать человеческих костей, частей рук и ног (2014)
В Австралии была проведена сложнейшая операция по восстановлению шейных позвонков онкологическому больному с диагнозом «хордома двух шейных позвонков» [1].
Опухоль возможно удалить путём хирургического вмешательства, после чего требуется восстановление позвонков.
Заимствование кости для формирования импланта из другой части тела было невозможно, а модель, созданная 3D-биопринтере способствовала созданию высокоточного импланта из сплава титана.
В Великобритании смогли помочь пациенту, который получил серьёзнейшие травмы в мотоциклетной аварии. Кости, формирующие лицо и кожа на нём, практически не поддавались восстановлению.
Для того, чтобы помочь, медики смоделировали необходимые части черепа по результатам компьютерной томографии и построенной 3D-модели, после чего выполнили их из титана.
Благодаря точности 3D-печати лицо пациента по его собственным словам очень похоже на лицо до аварии [2].
Учеными из Германии была разработана печать костных хрящей для людей, которые получили травмы. Возможно сделать имплант для носа, ушей или коленных чашечек.
По словам профессора Matti Kesti (Финляндия), данная технология поможет многим людям, и значительно снизит потребность в использовании доноров [4]. Испытания на животных начнутся в ближайшее время.
Можно ожидать, что 3D-технология поможет многим людям, получившим тяжелые травмы.
Китайскиеученые совместили технологию 3D-биопечати с имплантацией. Ими недавно была напечатана ортопедическая кость для кролика. Ученые утверждают, что дефекты костей, вызванные тяжелыми травмами и опухолями доставляют ортопедам немалые проблемы. В настоящее время не существует безопасного и эффективного решения этой проблемы [4]. 3D-печать должна существенно помочь в этом вопросе.
В ходе испытаний этого метода на животных, использование 3D печати было успешным [1]. Это позволяет ожидать, что в скором времени станет возможным создание подобных имплантов для людей с такими дефектами.
Ученые Первого МГМУ им. И. М. Сеченова (Россия) анонсировали проект, который включает в себя печать щитовидной железы и протестирован ее на живом организме — мыши [4]. Элементы для печати были получены с помощью метода последовательной обработки клеток из ткани пациента. Была создана трехмерная модель органа, конвертирована в специальный файл и передана на 3D-принтер, печатающий клетками.
В лаборатории биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions, резиденте биомедицинского кластера Фонда «Сколково» напечатан органный конструкт щитовидной железы мыши. Если напечатанная железа приживется у мыши, это станет научным прорывом в 3D-печати органов [1].
Биоинженеры из США смогли напечатать и даже испытать некоторые человеческие кости, части рук, ног, хрящей и уши. Материал для печати -В качестве материала для подобной печати учёными были выбраны стволовые клетки, основой послужили специальные шаблоны [1].
Было установлено, что такие достижения пока даются совсем нелегко.
Принтеры есть далеко не везде, модели для печати разрабатываются большой командой высококлассных профессионалов в течение длительного времени и стоимость таких операций весьма высока.
Но про всё это можно сказать «пока», потому что все врачи, биоинженеры и инженеры-конструкторы, которым довелось работать с этой технологией, утверждают, что за ней будущее медицины.
Одной из особенностей в строении сердца человека является разворачивание миокарда в виде листа Мёбиуса [5].
По результатам современных исследований было установлено, что характеристики гемодинамики, физико-механики и электрофизики сердечно-сосудистой системы, близкие к результатам физиологических экспериментов и клинических наблюдений, достигаются в приближении, что миокард сердца имеет топологию Мёбиуса [6]. Это делает актуальным решение задачи по «визуализации» внутренней структуры миокарда сердца [7, 8].
Лист Мёбиуса — это топологический объект, простейшая односторонняя поверхность с краем [9]. Можно попасть из любой точки этой поверхности в любую другую, не пересекая края.
Первыми обнаружили Лист Мёбиуса немецкие математики Август Фердинанд Мёбиус и Иоганн Бенедикт Листинг почти 160 лет назад. Чтобы сделать модель листа Мёбиуса, надо взять бумажную полоску и соединить её концы, предварительно перевернув один из них на 180 градусов.
Существуют два типа этих полос — левые и правые, в зависимости от вида закручивания. Лист Мёбиуса иногда называют прародителем символа бесконечности потому, что, находясь на поверхности этого листа, по нему можно было бы идти вечно. Это не так.
На самом же деле, символ использовался для обозначения бесконечности еще за двести лет до того, как открыли лист Мёбиуса. Лист обладает любопытными свойствами:
Прочие любопытные комбинации листов могут быть получены с двумя или более полуоборотами. Например, если разрезать лист с тремя полуоборотами, то получится лист, завитый в узел трилистника. Разрез листа Мёбиуса с дополнительными оборотами даёт неожиданные фигуры, которые назвали парадромными кольцами [9].
Рассмотрим унифицирование входной информации для 3D-принтера. Печать органов — роботизированное послойное построение трехмерных жизнеспособных биоартифициальных тканей и органов с использованием тканевых (клеточных) сфероидов, как составных элементов.
Получение тканеподобных сфероидов позволяет использовать известные клеточные совокупности, стандартизировать состав и предсказуемые свойства. Таким образом, становится возможным собирать небольшие участки внутриорганной сосудистой сети, для чего используются цельные и просветные тканевые сфероиды [10].
Для создания таких сфероидов, файл в двоичном коде перекодируется в виде геометрических фигур. Визуальное изображение, полученное таким образом, выглядит как скручивание спиралей (напоминающее спирали ДНК). Далее с помощью этого метода, эти спирали делятся на две части и каждая содержит информацию.
Из полученных частей формируется новый информационный поток, эта процедура может быть повторена. Этот метод позволяет представить информационные потоки в виде геометрических фигур, кодирование которых в некоторых случаях к значительному сжатию представленной информации.
Алгебра геометрических фигур позволяет проводить анализ информационных потоков, формировать визуальные аналоги для файлов различных форматов (TXT, DOC, MPEG, BMP, MP3, JPG и т. д.), чтобы записать свою новую кодировку с помощью математических операций, сравнить их визуальные аналоги, определить степень сжатия текста.
Новый формат представления информационных потоков, полученных с помощью алгебры геометрических фигур, могут быть разработаны позже и прикладной математики, компьютерных технологий, обработки, кодирования, сжатия и передачи информационных потоков.
В медицине этот метод способен определить места неоднозначности (болезни) при репликации материнской структуры. В области информационных технологий метод позволяет сжимать информационные потоки на 30 % лучше, чем хорошо известные утилиты сжатия данных (WinZip, RAR и т. д.
) и представляют собой текст и музыкальные файлы в виде картинок (и наоборот), и, более того, можно определить с помощью этого метода информативности и ощутить значение (аналог коэффициента IQ) из бумаги и текста. Этот метод способен определить языковые характеристики сообщения (языковая группа, происхождение языка и т. д.).
Одним из перспективных направлений применения метода в теории чисел является его способность выполнять математические операции не с числами, а с их образами. [10]
Таким образом, входная информация для 3D-принтера, полученная с помощью такого метода выглядим следующим образом (рис.1)
Рис. 1. Молекула ДНК: А — аденин, Г — гуанин, Т — тимин, Ц — цитозин
«Умные материалы» для 3D-печати. Относительно недавно возникла и начала стремительно развиваться новая область материаловедения, изучающая материалы, свойства которых могут меняться в зависимости от внешних факторов.
Это новое поколение материалов называется «умные» или «интеллектуальные» материалы (англ. — «smart materials»). [11] Отличительные черты «умных» материалов — их дополнительные функциональные возможности, выходящие за пределы свойств, определяющихся структурой материала.
Такие материалы выполняют двойную или даже тройную функцию — материала с требуемыми характеристиками, датчика на внешнее воздействие и, в некоторых случаях, устройства, которое «запрограммированно» на определенное поведение.
Это достигается только благодаря структуре и составу этих революционных материалов. Эта перспективная область развития почти любого производства, которая вскоре окажет существенное влияние на нашу жизнь.
Применение 3D-технологий в медицине, в том числе, в кардиохирургии может значительно упростить выполнение профессиональных обязанностей медицинским работникам.
Значительных достижений в сфере трёхмерной печати добились Австралия, Великобритания, Германия, Китай, США, Россия.
Составные элементы для печати миокарда будут унифицированы с помощью перекодировки информации, представленной в двоичной системе счисления в молекулы ДНК. В перспективе 3D-печать может быть произведена с помощью «умных материалов».
Литература:
