Одной из самых успешных областей медицины для 3D печати, пожалуй, можно назвать протезирование. Ведь при нынешних возможностях, люди стали получать разительно более дешевые и в то же время более качественные протезы практически всех костей в человеческом организме.

Кроме этого, в будущем, нас наверняка ждет колоссальный прорыв в трансплантологии. Над этим прорывом работает целая отрасль, именуемая 3D-биопечатью. Суть биопечати в том, чтобы в буквальном смысле изготавливать человеческие органы на специально разработанных 3D принтерах. Звучит такая перспектива, скажем прямо, как нечто из научной фантастики. Однако уже сегодня в этой сфере есть немало побед. Так, например, нам известно, что в ряду достижений ученых числится успешно вживленная в тело мыши распечатанная печень! По словам экспертов, в перспективе примерно 10-ти лет, мы сможем проводить аналогичные операции, но уже с людьми.

Что же до людей, которые как известный всем Фома не могут поверить до тех пор, пока не пощупают, можно привести в пример стоматологию. Уже сегодня, мы имеем повсеместное внедрение 3D печати в эту область медицины. Мудрые стоматологи по всему миру уже смекнули, что зубные протезы, распечатанные на 3D принтере, проще в изготовлении и имеют более точные параметры, нежели протезы произведенные вручную.

Словом, количество и качество достижений и перспектив, которые привнесла 3D печать в медицину, дает нам полное право говорить о том, что аддитивное производство - это новая веха в научно-технологической жизни человечества, ведь не каждая технология может похвастаться тем, что она спасает жизни людей.

Печать органов на 3d принтере открывает новые возможности

Особого внимания заслуживают возможности в сфере протезирования и создания экзоскелетов. Эти технологии имеют ряд неоспоримых преимуществ:

1. Изготовление занимает совсем немного времени благодаря специальным программам (например, Mimics, SurgiCase, SimPlant или других, используемых в медицине).
2. Стоимость на несколько порядков ниже, чем при использовании обычных технологий.
3. Учет индивидуальных характеристик и потребностей конкретного пациента обеспечивает комфорт, а значит, больше не нужно «подтачивать» уникальную ткань под стандартную заготовку.

Увы, на современном этапе напечатанные органы не воссоздают поврежденный оригинал, но способны функционально его заменить. Например, искусственные сердечные клапаны, суставы, зубы, слуховые аппараты и элементы конечностей с успехом выполняют функции имплантатов.

Последним же ноу-хау является печать органов на 3d принтере, при которой используется биоматериал вместо пластика или смол.

На данный момент разработаны две методики: печатать органы живыми клетками, заполняя окружающее пространство специальным коллагеновым гелем, или же помещать клетки на поверхности (или внутри) напечатанной принтером пластиковой формы. Первый способ позволил вырастить ткань кожи, второй - живую печень и почку, которые планируют использовать для экспериментов.

По подсчетам ученых, до времени, когда можно будет свободно распечатывать органы на 3d принтере, осталось лет 10.

3D-принтеры сегодня используются во многих сферах нашей жизни, позволяя создавать различные декоративные элементы для интерьера, протезы для органов человека, дизайнерские украшения или даже шоколад. Но наука не стоит на месте, и сегодня уже планируется 3D-печать органов из биологического материала. Это самый настоящий революционный прорыв, поскольку донорские органы – большой дефицит.

Особенности печати органов на 3д-принтере

Создание функционирующих органов человека посредством 3D-печати позволило бы решить самую главную проблему – нехватку этих самых органов, чтобы спасти миллионы пациентов по всему миру. Идея о выращивании человеческих органов возникла еще в прошлом веке, но до момента появления биопечати воплотить их в реальность не представлялось возможным. В Институте регенеративной медицины первыми стали создавать синтетические строительные блоки для выращивания мочевого пузыря человека на основе 3D-печати. Однако первая печать появилась только в 2000-е годы.

Первый 3D-принтер для биопечати: Organovo

Компания Organovo в 2010 году первой запустила печать человеческих органов. Сегодня специалисты компании активно занимаются попытками создать образцы печени, но их пока нельзя использовать для трансплантации. 3д печать органов по степени сложности превышает обычные устройства для трехмерной печати, однако общих черт у этих двух процессов немало:

• Применяются картриджи и печатающие головки,
• Вместо чернил используется биоматериал,
• Формирование органа ведется послойно на специальной рабочей поверхности.

Однако перед печатью каждая деталь проходит ряд проверок. Для начала сам пациент проходит процедуры КТ- сканирования и МРТ. Полученные результаты обрабатываются посредством компьютера, после чего создается макет – именно он используется в принтере, чтобы определить места и способы нанесения клеток. Биологические принтеры работают на основе человеческих клеток того органа, синтез которого проводится, или на основе стволовых клеток. Цельная структура органа получается благодаря специальному скрепляющему веществу, которое имеется в картридже.

Сразу после завершения печати созданный орган помещается в специальные условия в инкубаторе – это необходимо для того, чтобы клетки начали деление и синхронизацию в совместной работе.

В чем проблемы?

Биопринтер для печати человеческих органов Organovo – это современное устройство, за которым большое будущее. Однако имеется ряд проблем, связанных с этим нелегким и трудоемким процессом:

1. Дефицит материала, который можно было бы использовать для производства человеческих органов.
2. Сложность и в прорастании клеток вне тела человека: наши органы устроены очень сложно, поэтому наладить работу искусственного органа очень трудно.
3. Ограниченность технических возможностей. Во-первых, не хватает качественного и мощного оборудования, позволяющего создавать максимально приближенные к натуральным человеческие органы. Во-вторых, очень трудно заставить клетки работать слаженно, поскольку требуется производство еще и кровеносных сосудов – именно они способствуют правильному функционированию органов. Кстати, первые шаблоны кровеносных сосудов уже были произведены в университете Бригама Янга. Для их создания использовался линейный полисахарид агарозы.

Особенности работы биологического 3D-принтера

– процесс непростой, поэтому и само устройство имеет ряд особенностей. Биопринтер хорош тем, что он работает без использования поддерживающей основы. Organovo работает на основе стволовых клеток, которые получают из костного мозга. Именно эти клетки формируются в маленькие капельки диаметров от 100 до 500 микрон, которые хорошо держат форму и позволяют вести качественную печать. Суть этого процесса в следующем: первой печатающей головкой выкладываются капельки с клетками в нужной последовательности, а вторая распыляет поддерживающее основание. В этом качестве используется гидрогель на основе сахарной пудры, который не вступает во взаимодействие с клетками. После завершения печати полученная структура оставляется на пару дней, чтобы произошло сцепление капель друг с другом.

Возможна с применением других материалов и поддерживающих основ. Например, клетки печени можно нанести на заранее подготовленное основание в виде этого органа.

Какие перспективы?

3D-технологии печати сегодня очень популярны, в том числе и в сфере создания человеческих органов. Однако пока печать органов на принтере имеет ряд проблем. Допустим, созданная компанией Organovo печень была полностью идентична человеческой, выполняла все ее функции, однако синтезированный орган смог просуществовать около 40 дней. Не так давно были созданы посредством 3D-печати клапаны сердца, вены, а вот печать полноценного сердца пока невозможна. Сегодня все больше разговоров о создании 3D-почек, которые можно было бы трансплантировать человеку.

Ученые Organovo считают, что создавать органы можно и без поддерживающей структуры, поскольку живые клетки могут самоорганизоваться. При этом они отмечают, что 3D-печать органов имеет четыре уровня сложности:

1. Самые простые для печати – плоские структуры из одного вида клеток, например, кожа.
2. Вторые по степени сложности – трубчатые структуры, например, кровеносные сосуды.
3. На третьем уровне сложности полые органы (мочевой пузырь или желудок).
4. И самые сложные для печати органы – печень, почки и сердце.

Кроме того, технология 3D-печати органов может применяться и в других сферах. Например, посредством 3D-сканирования можно создавать кости, чтобы вернуть человеку возможность подвижного образа жизни. Биологический принтер позволяет создать структуры, поддерживающие скелет: это способствует быстрому излечению пациентов. На созданных посредством 3D-печати органах можно тестировать лекарства, чтобы выявить их побочные эффекты.

На 3D-принтерах с 2012 года возможно распечатать протезы и импланты опорно-двигательного аппарата человека. Позвонки и межпозвоночные диски из пластика и резины уже сейчас довольно хорошо освоены и постепенно осваивается более сложный уровень — печать человеческих органов и частей тела на клеточном уровне. В клиниках США, Европы и Японии, которые впереди планеты всей по научным исследованиям в медицине, прямо сейчас экспериментируют со стволовыми клетками, дабы создавать такие части тела, которые бы стопроцентно вживлялись в человеческое тело.

Чтобы вы лучше представили себе размах прогресса, можно привести данные Oxford Performance Materials, которые говорят о 450 тысячах пациентов по всему миру и инвестициях на 2 млрд. долл. Вызывает сомнение использование стволовых клеток и собственных клеток человека, однако именно такой материал полностью исключит риск отторжения. Стволовые клетки не единственный ресурс для 3D-принтера, ученые уже работают над комбинацией пластиковых волокон и живых клеток, без которой немыслимо создание по-настоящему сложных органов. Согласитесь, одно дело распечатать протез кости, а другое — части печени или сердца.

Пока полностью такие сложные органы сделать не могут, а вот, к примеру, напечатанную кожу уже вовсю используют для пересадки в ожоговом центре США. Меценаты и просто бизнесмены по всему миру вкладываются в медицинскую 3D — печать, по данным исследования Grand View Research, к 2020 году объем рынка 3D-печати будет больше миллиарда долларов, сами принтеры будут стремительно дешеветь, а там рукой подать до выпуска массовых, домашних моделей.

Какие же успехи медицина может предоставить нам на текущий момент?

Череп

В марте прошлого года хирурги заменили 75% черепа человека на пластиковый протез. Отдельные кости, вроде челюстных, «вмонтировались» в голову человека и раньше, однако таких масштабов замены еще никто не производил, тем более одноэтапно и с помощью 3D — принтера.

Позвоночник

Как уже написано выше, замена позвонков и межпозвоночных дисков дело почти освоенное, однако совсем недавно китайцы осуществили новый прорыв и сделали заменили 12-летнему мальчику позвонок с опухолью спинного мозга. Материал сделали пористым, поэтому постоянно менять позвонок не придется — он просто обрастет новой костной тканью и станет неотъемлемой частью тела.

Ухо

Бионическое ухо было создано из клеток теленка, полимерного геля и наночастиц серебра. В результате медики Принстонского университета создали настоящее «ухо будущего», которое способно воспринимать радиоволны, не улавливаемые обычным человеческим ухом. По словам ученых, они вполне могут освоить «подключение» такого уха к нейронам головного мозга, чтобы он мог воспринимать услышанное.

Зародыш

Не совсем живой орган, однако, японская компания «Fasotec» при помощи магнитно-резонансного томографа печатают в прозрачном кубе, имитирующем утробу матери, точную копию вашего будущего ребенка. Выглядит одновременно и фантастично и пугающе, но пока этот насквозь коммерческий проект нравится медикам, ведь с его помощью можно будет наблюдать за правильным развитием плода, практически держа модель ребенка в руках.

Руки

Когда уроженцу Южной Африки Ричарду Ван Есу отрубило пальцы правой руки в столярной мастерской, он нашел Айвана Оуэна из Вашингтона, который создал прототипы механических рук. Вместе они основали компанию Good Enough Tech, разработали Robohands, и освоили печать «роборук» на 3D-принтере, существенно удешевив конечную стоимость продукта. Заручившись поддержкой компании Makerbot которая одолжила им и принтеры и ресурсы для печати, эти два энтузиаста помогли уже более чем 200 людям по всему миру.

Печень

Полный орган напечатать пока не удается, ввиду его сложности, однако уже в сейчас освоена печать ткани печени из гепатоцитов, звездчатых клеток и клеток эпителия. Успех этот датирован 2013 годом, так что вполне возможен научный прорыв до «распечатки» целой печени уже в ближайшее время.

Нос

Корейские врачи и исследователи успешно восстановили искусственный нос, сделанный на 3D принтере шестилетнему мальчику. Нерха, мальчик из Монголии, родился без носа и ноздрей, что крайне редко встречается. Младенцы, родившиеся без носа, могут дышать должным образом, и большинство из них умирает в течение 12 месяцев. Врачи из Сеула, куда родители привезли мальчика, создали структуру поддержки для дыхательных путей, используя технологию 3д печати. В серии операций врачи восстановили нос Нерхи. Ноздри пациента были созданы с помощью его же костной ткани. Теперь он может нормально дышать и выглядит гораздо лучше.

«Печать» человеческих органов на 3D-принтере

Подписывайтесь на Квибл в Viber и Telegram , чтобы быть в курсе самых интересных событий.

«Распечатают ли нам, наконец, новые органы?» - этот странный вопрос в наши дни, оказывается, уже витает в воздухе. Так вот, сообщаем: распечатают. Но не сейчас. Не так скоро. Хотя в России уже разрабатываются и биопринтеры, на которых в будущем станут печатать «запчасти» для человека, и биобумага для таких устройств.

Одна из таких отечественных «точек роста» - лаборатория тканевой инженерии Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ РАН), расположенного в подмосковном наукограде Пущино.

«Кусочки сахара» и челюсть из них

Что же значит термин «тканевая инженерия» и откуда он взялся?

Прежде чем делать с нуля новые почки и сердце (чего мы пока не умеем), медицине предстояло освоить две задачи попроще. Во-первых, научиться воспроизводить твердые ткани – кости. И во-вторых, научиться воссоздавать большие куски тканей для «залатывания» тяжелых травм.

С этим к настоящему моменту дело обстоит довольно неплохо. В обоих случаях применяются «биодеградируемые материалы». Они не остаются в организме навсегда, а составляют основу, заселяя которую, стволовые клетки человека постепенно восстанавливают ткань. При этом сама «заплатка» попросту рассасывается.

Первым делом корреспондентам «МИР 24» показали нечто, похожее на «кусочки сахара» в колбах. Как оказалось, это – запасы материалов или препаратов, из которых формируется заменитель кости у человека. «Белые вещества» могут быть как из натуральной кости, так и из синтетических полимеров, таких как полилактиды и полигликолиды.

Напечатанная под управлением компьютера на 3D–принтере костная ткань по своей структуре может как полностью воссоздавать утраченный фрагмент кости, так и создавать другие конструкции, подходящие для обеспечения процесса ее восстановления.

«Возможности 3D-биопринтинга позволили, например, заместить удаленную из-за раковой опухоли нижнюю челюсть человека, - рассказывает руководитель лаборатории роста клеток и тканей Ирина Селезнева. – Прежде чем ее удалить, сняли томограмму и по компьютерной модели восстановили и напечатали каркас органа, который потом заселили собственными стволовыми клетками пациента и заместили утрату».

С воспроизводством мягких тканей дело обстоит сложнее. Однако за последние десять лет ученые существенно продвинулись и в этом направлении.

Из чего делается «биобумага»

Суть метода «биопечати» в данном случае в том, что будущий орган формируется из двух основных компонентов: живых клеток и «матрикса», моделирующего условия межклеточной среды и соединительной ткани.

Источником клеток могут стать как донорские, так и собственные стволовые клетки человека, выделенные, например, из жира или костного мозга. Они могут быть превращены в различные типы клеток и тканей под воздействием биологически активных веществ.

Руководитель лаборатории тканевой инженерии профессор Владимир Акатов и Ирина Селезнева говорят о создании новых биоактивных материалов, способных активировать собственные регенераторные возможности организма без привнесенных извне клеток. Главное - создать условия для миграции и роста собственных стволовых клеток человека и формирования ими тканей.

«Биобумагой для биопринтера» ученые называют искусственную среду, в которой смогут расти живые клетки будущих органов. Она образуется из белков, полисахаридов и других биоактивных веществ и представляет собой гидрогель, который можно заправлять в биопринтер вместе с клетками, либо тонкую пленку, на которой можно печатать клетки.

«Мы исследуем эти гели при взаимодействии с клетками, - поясняет старший научный сотрудник Галина Давыдова. - Смотрим, как составить композицию, чтобы после полимеризации гидрогель обеспечивал механические характеристики конструкции и условия для жизни в них леток».

Галина Анатольевна набирает в один шприц белок коллаген, а в другую – полисахарид (метилцеллюлозу). И капает из обоих шприцов в чашечку Петри. Происходит реакция, в результате которой в чашечке образуется бесформенная «пенка» или пленка. Бумагу она напоминает весьма относительно – впрочем, что-то вроде кусочка рельефных обоев или линкруста. Это гель «полимеризуется».

Вот прототип той «подложки», куда станут слой за слоем наращивать клетки будущих органов. Она сможет образовывать трехмерные объемные структуры этих органов, а затем, сыграв свою роль, рассосется в организме. Пока ничего сногсшибательного с виду не напоминает.

Бумага нужна всем печатникам

Однако у пущинцев довольно солидные партнеры. «В нашей стране есть два лидера биопринтинга, несколько различающихся по своим подходам и аппаратному обеспечению, - рассказала Ирина Ивановна Селезнева. – Один из них – Владимир Миронов, глава 3D Bioprinting Solutions и профессор в Университете штата Вирджиния».

Технология Миронова похожа на «струйный принтер», когда под управлением компьютера струи из разных шприцов смешиваются, формируя на подложке ткань. «В качестве чернил используются клеточные сфероиды, агрегаты клеток, которые обладают способностью сливаться между собой, образуя те же капилляры и другие структуры, ткани», - отметила Селезнева.

Другой лидер - Борис Чичков, профессор Ганноверского университета им. Лейбница и заведующий лабораторией лазерной наноинженерии в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН в Троицке.

«Условно назовем это лазерный биопринтинг – рассказала Селезнева. - Очень короткие, фемтосекундные импульсы лазера позволяют сшивать материал шаг за шагом, задавая под управлением компьютера нужную форму матрикса с точностью до нанометров. Эти же лазерные импульсы способны переносить с одной поверхности на другую даже отдельные клетки, которые при этом сохраняют свою жизнеспособность ».

Технологии биопечати различаются, но без матрикса, обеспечивающего адекватное микроокружение для жизни клеток и формирования тканей в обоих случаях не обойтись. В Пущино разрабатывают «бумагу», как для струйного, так и для лазерного принтера, адаптируя характеристики гидрогелей к особенностям технологии биопечати.

В принципе, пользуясь методами биопринтинга в отдаленном будущем, возможно, удастся собирать орган, как пазл, из отдельных клеток и матрикса. А в ближайшем будущем напечатанные таким образом кусочки тканей станут новой моделью для тестирования новых лекарств.

Сверхзадача, которую ставят ученые на будущее – научиться наращивать ткани прямо на поврежденном месте. Тогда вместо громоздкого принтера будет использоваться инструмент вроде пистолета, из которого на тело пациента станут наносить элементы гидрогеля с клетками, которые прямо на человеке будут полимеризоваться, формируя новую ткань.

Какие органы печатают на 3D принтерах; какие из них уже пересаживаются человеку, а какие разработали ученые из Сколково? В этой статье вы увидите фотографии напечатанных на 3D био-принтерах органы, а также узнаете о них подробнее.

Напечатанная 3D печень

Эта 3D печень напечатана компанией Organovo. На данный момент ткани слишком слабо развиты, чтобы использовать такую печень для трансплантации, поэтому печень "живет" в научно-исследовательских лабораториях. Продолжительность жизни такой печени - около шести недель. Это дает возможность ученым экспериментировать с препаратами и измерять разные процессы воздействия на печень. И хотя пересадить 3D печень нельзя, она помогает создавать лекарства значительно быстрее.

Напечатанный 3D позвонок

В Пекинском университете напечатали позвонок, который подходит для замены обычного и превосходит титан по прочности. Новый материал функционирует и используется в хирургии. Он позволяет пациентам восстанавливаться после операции значительно быстрее. Позвонок полый в центре, что позволяет нервам легко проходить через позвоночник.

Напечатанный 3D мозг

Доктор Джозеф Мэдсен не беспокоится о проведении гемисферэктомии, потому что сначала проводит аналогичную операцию на напечатанной версии мозга своего пациента. Уровень точности печати настолько высок, что мягкий пластик реплики дал Мэдсену возможность идеальной практики.

Напечатанное 3D сердце

Врачи со всего мира приступили к работе по разработке искусственных сердец. Прежде всего потому, что человечество много курит, ест нездоровую пищу и совершает другие действия, которые ведут к необходимости замены сердца еще в относительно юном возрасте. Ученые придумали использовать компьютерную томографию, которая позволяет получить полную картину органа, который затем им нужно распечатать с помощью специально разработанных материалов. Более того, врачи могут провести операцию дважды - один раз за день до операции на копии сердца, а затем на самом пациенте, что позволит сократить время и избавиться от ошибок. Сердца печатают, но их еще не пересаживают. На них практикуются.

А какой орган, напечатанный на биопринтере, планируют пересадить ученые из Сколково в следующем году?

Первый живой орган, созданный с использованием 3D биопринтера в России, будет пересажен в следующем году. Это будет щитовидная железа. Дальше ученые из Сколково планируют пересадить напечатанную почку в 2018 году.