Биопечать – одно из самых революционных направлений 3D печати. От того, как будет развиваться эта технология, зависит будущее медицины.

Что подразумевается под словом “биопечать”?

Сегодня активно разрабатываются 3D принтеры для печати пищевых продуктов – шоколада, сахара, желе и т. д. Параллельно развивается другое направление – ученые пытаются выращивать мясо или клетчатку на основе водорослей в лабораторных условиях. Биопечать находится где-то посередине между этими подходами – между генетикой и 3D печатью.

3D технологии уже сегодня повлияли на разработку медицинских имплантов. Сегодня врачи рассчитывают трансплантанты, которые идеально подходят пациенту, путем 3D сканирования поврежденного участка, формирования 3D модели, и распечатки на 3D принтере.

Но и медицина, со своей стороны, также повлияла на молодую индустрию 3D печати: создаются новые материалы для принтеров – с гипоаллергенностью, высокой биосовместимостью и низкой отторгаемостью. Как правило, это керамика или специальный биосовместимый пластик.

Печать органов

Органы бывают разные – какие-то печатать проще, какие-то сложнее. Начнем с более простых процессов и перейдем к сложным:

1. Плоские структуры, как правило с одним или двумя типами клеток, то есть создание кожи человека для пересадки на место поврежденных участков, например обожженных;
2. Трубчатые структуры, в основном с двумя типами клеток, для создания кровеносных сосудов;
3. Полые органы. Сложности возникают в желудке или мочевом пузыре, при выполнении ими сложных функций и взаимодействии с другими органами.
4. Функциональные органы, состоящие из множества видов клеток, сложно взаимодействующих между собой. Прежде всего, это сердце, печень и почки.

Регенеративная медицина уже доказала, что может успешно имплантировать выращенные в лаборатории версии первых трех типов органов. Исследователи надеются, что по мере развития индустрии 3D-печати органы для пересадки можно будет перевести ан массовое производство.

На сегодняшний день имплантировались выращенные в лабораториях кожа, мочевые пузыри и трахеи – эти части тел медленно выращивали за счет сочетания искусственных опор и живых человеческих клеток. 3D-технологии печати предлагают большую скорость и компьютерную точность в формировании слоя живых клеток.

Создание на 3D принтере сложных органов пока что остается фантастикой. Напечатать сердце или печень из клеток пациента еще никому не удалось, хотя первые осторожные шаги уже сделаны: 3D технологии используются для создания крошечных кусков органов.

Как печатаются органы

Для выращивания органов создаются искусственные опоры. По форме они идентичны самому органу. На их поверхность производится посев живых клеток.

С помощью этого метода вырастили искусственные мочевые пузыри для первых имплантаций пациентам в 1999 году. Прошло более 10 лет, 3D принтеры стали совершеннее, и теперь они могут печатать как искусственные опоры, таки и живые клетки одновременно.

Некоторые лаборатории прогнозируют, что в скором времени можно будет обходиться без искусственных опор, используя тенденцию живых клеток к «самоорганизации». Опорный материал в конечном итоге будет просто растворяться (для чего может использоваться гидрогель – вязкий водный состав), не влияя на живые клетки, но оставляя исходную структуру ткани в заданном положении. При этом проблемой является прочность и целостность созданной структуры.

Ученые из Organovo экспериментируют с созданием крошечных кусочков печени, которые должны стать «строительными блоками». 3D-принтеры компании уже могут располагать блоки послойно, что позволяет живым клеткам расти вместе. Стволовые клетки пациента могут обеспечить материал для 3D-печати органа, который организм не станет отвергать.

Существующие проблемы

Возможность печати полноразмерных функционирующих органов зависит от того, удастся ли ученым создавать полноценные кровеносные сосуды. Сосуды будут поставлять органам богатую питательными веществами и кислородом кровь, что позволит сохранить ткань здоровой. До сих пор ни в одной лаборатории не удалось создать 3D-печатные органы с сетью кровеносных сосудов.

Компания Organovo экспериментирует с 3D печатью кровеносных сосудов 1 мм или больше в диаметре. Им удалось построить ткани, содержащие крошечные кровеносные сосуды размером 50 микрон. Этого достаточно, чтобы поддерживать фрагмент органа миллиметровой толщины.

Даже лучшие 3D принтеры не могут создавать системы мельчайшего масштаба для строительства кровеносных сосудов и органов. Многие исследователи считают, что решение заключается в изучении тенденции к самоорганизации живых клеток. Это позволит печать ткани в десятки или сотни микрон, а затем клетки будут самостоятельно развиваться и правильно организовываться.

Перспективы биопечати

Итак, что такое биопечать? Это индустрия, которая в будущем будет спасать жизни миллионов, создавая импланты и органы «по заказу». По прогнозам исследователей, это произойдет через 10-15 лет.

В настоящее время создаются крошечные фрагменты сердца, печени и почек. Они используются для тестирования всевозможных лекарств или влияния заболеваний и отравляющих веществ на ткани.

Уменьшенная копия человеческого уха из биогеля

Wake Forest Institute for Regenerative Medicine

Ученые из медицинской школы Уэйк-Форест представили биопринтер, который печатает из живых клеток человеческие ткани, способные сохранять свою форму и приживаться в организме. В перспективе, напечатанные на биопринтере ткани и органы могут заменить искусственные протезы. Работа исследователей опубликована в журнале Nature .

Для создания органов и тканей принтер использует специальный гидрогель и пластиковый биоразлагаемый материал. Гидрогель представляет собой комбинацию из желатина, фибриногена, гиалуроновой кислоты и глицерина с достаточно высокой концентрацией живых клеток. Сначала принтер осторожно слой за слоем создает из него трехмерные объекты, а затем покрывает их внешней оболочкой из разлагаемого полимера. Эта оболочка помогает держать органам и тканям форму.

После того, как ткани пересаживают в организм, полимерная оболочка постепенно разлагается. В то же время клетки начинают самостоятельно выделять матрикс, который обеспечивает механическую поддержку клеток, и, в конечном итоге, необходимость во вспомогательном материале отпадает. Весь объем искусственной ткани пронизывает сеть микроканалов, по которым к клеткам поступают кислород и питательные вещества.

На данный момент ученые создали гелевый аналог кости свода черепа крысы на основе стволовых клеток человека из амниотической жидкости, уменьшенные копии человеческого уха из хондроцитов кролика и несколько «мышц» с использованием мышиного миобласта C2C12. Все образцы исследователи проверили в лабораторных и в естественных условиях, вживив их под кожу крыс и мышей.

Результаты, по мнению ученых, оказались многообещающими. Ушные раковины, подсаженные мышам, спустя два месяца сохранили форму, а также в них на 20 процентов увеличилось содержание гликозоаминогликанов, которые входят в состав клеточного матрикса. Мышечная ткань, вытянутая вдоль опорной конструкции, спустя две недели также сохранила свои механические характеристики. Малоберцовый нерв, вживленный в имплант, также сохранил свою целостность и в ткани наблюдались нервные контакты с α-BTX+ внутри импланта. В гелевом аналоге кости свода черепа у крыс спустя пять месяцев сформировалась васкуляризированная костная ткань.

По словам авторов, теперь необходимо выяснить, насколько безопасны напечатанные на биопринтере импланты для людей. Скорее всего, сначала будут тестироваться хрящевые структуры, то есть ушные раковины, так как в отличие от мышц и костей, хрящу не требуется обширная система кровеносных сосудов.

Идея 3-D печати органов, в целом, не нова. Ученые активно работают над этой технологией, так как она не только позволит создавать биоимпланты для пересадки людям, но и, например, проводить клинические испытания лекарств на отдельных органах и тканях. Так, компания Organavo на данный момент занимается трехмерной печатью почечных тканей для испытаний лекарств.

Кристина Уласович

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

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.

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.

«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.