Биопринтеры работают почти так же, как и обычные 3D-принтеры, но с одним ключевым отличием — вместо чернил в них загружают живые клетки, а в результате получают готовый орган или другие сложные структуры, как кровеносные сосуды, например.

Происходит это следующим образом: у пациента забирают немного необходимых клеток, последовательно обрабатывают их, а затем загружают в принтер для печати. Чаще всего это индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, которые можно взять из обычной жировой ткани человека. Когда клетки уже внутри, головки принтера начинают последовательно накладывать тончайшие клеточные слои. Строительство объекта происходит по модели, предварительно спроектированной на компьютере, и занимает несколько часов. На выходе получается тканевый конструкт, который нужно поместить в специальную питательную среду — без этого он начнет разрушаться. Там конструкт «созревает», и потом его можно пересаживать пациенту.

Источник: tunahanvatansever.com

Иногда для того, чтобы клетки росли и принимали нужную форму, могут использоваться специальные коллагеновые каркасы. К ним клетки прикрепляются и формируются в новую структуру, например, в хрящ или кость. И вот в считанные часы уже готовы новые уши и челюсть.

В развитие технологий биопечати вовлечены уже тысячи университетов и частных компаний по всему миру. Над какими же удивительными вещами они работают?

Американская компания Oxford Performance Materials стала первой в мире компанией, которая получила официальное разрешение от регулирующего органа FDA на установку трехмерного имплантата для реконструкции черепа. Нужные ткани сотрудники компании печатают из термопластика под названием полиэфиркетонкетон — полимера, который часто используется для изготовления имплантатов. И в 2013 году была проведена первая хирургическая операция, в которой пациенту заменили 75% черепа!

Источник: oxfordpm.com

Этот и подобные современные костные имплантаты, как правило, строятся из синтетического материала в сочетании с собственными клетками пациента. Они являются эффективным средством против переломов или разрушения костей, однако имеют высокий риск отторжения и развития воспаления в организме. Поэтому компании заинтересованы в создании ткани из биосовместимого материала.

Так, команда ученых из Ноттингемского университета в Англии изобрела биопринтер, который позволяет печатать настоящие кости. Сначала создается каркас из полимолочной кислоты (которая обеспечивает прочность кости) и желатинового альгината (вещества, служащего амортизирующим материалом для клеток), который затем покрывается стволовыми клетками, способными развиться практически в любой тип клеток. После этого конечный продукт имплантируют человеку, где в течение примерно трех месяцев он растворяется и заменяется новой растущей костью.

Успешные опыты 3D-печати хрящей могут в скором времени полностью заменить искусственные протезы ушей и носов для пациентов, нуждающихся в реконструкции лица. Создание таких протезов является трудоемким и дорогостоящим процессом: нужно сфотографировать травмированную область, сделать отливку из гипса, вырезать форму, сконструировать силиконовую модель. Все это станет ненужным благодаря биопечати. Чтобы получить необходимый хрящ, специалисты сканируют лицо пациента (что является менее болезненным, чем отливка), делают модель на компьютере и печатают — современные технологии позволяют запросто напечатать нос или ухо всего за 16 минут.

Источник: ethz.ch

Биотехнолог Матти Кести из Швейцарской высшей технической школы объясняет методику печати так: у пациента забирают некоторое количество клеток хрящей — из колена, пальца, уха или носа, — которые затем смешивают с биополимером в реакторе. Эти клетки принтер «лепит» на каркас, и так создается форма, которую затем и пересаживают. Далее она расщепляется собственными клетками организма, и со временем, отмечает ученый, уже невозможно будет отличить трансплантат и собственный хрящ.

Поскольку хрящи выращиваются из собственных клеток пациента, риск того, что орган не приживется, гораздо ниже, чем у искусственно созданного протеза. Еще одна важная вещь: такие имплантаты имеют свойство расти вместе с его носителем — это особенно важно, например, для детей, которые из-за травматических причин повредили хрящевые части организма.

Британский индустриальный дизайнер Том Фрипп и его команда из Университета Шеффилда изготавливают с помощью 3D-принтера глазные протезы. Дело в том, что искусственные протезы для глаз стоят дорого, расписываются вручную и поэтому долго изготавливаются. А принтеры от компании Fripp Designs позволяют за один час изготовить до 150 протезов. Размеры, цвет радужки и количество кровеносных сосудов можно легко изменить в зависимости от индивидуальных характеристик пациента.

Источник: fototelegraf.ru

Множество людей в мире страдает от последствий ожогов или аутоиммунных заболеваний, при которых кожа начинает отслаиваться. Кожные проблемы бывают и у диабетиков: у них могут появиться язвы, которые долго не заживают. Искусственная кожа, созданная на основе биоматериалов, может помочь им.

В 2019 году ученые из Политехнического института Ренсселера в США смогли напечатать настоящую кожу с сосудами. В качестве «биочернил» они использовали эндотелиальные клетки, которые выстраиваются внутри кровеносных сосудов, клетки соединительной ткани, которые оборачиваются вокруг них, а также структурные клетки и животный коллаген. В ходе эксперимента кожу успешно пересадили мышам — она прижилась и не вызвала отторжения. Сосуды соединились с кровеносной системой животного и начали снабжать клетки ткани кровью.

Примерно в то же время команда исследователей из Канады разработала принтер для лечения ожогов, который умеет печатать кожу прямо на рану. Причем повреждения могут быть любого размера, глубины, формы и расположения на теле, так как биоматериал равномерно распределяется на различные участки кожи, а не только на ровные. Такая система может пригодиться людям, чьи раны настолько обширны, что они уже не могут позволить себе пересадку кожи. «Чернилами» для принтера служат белок фибрин и мезенхимальные стволовые клетки. Результаты эксперимента на лабораторных свиньях показали, что раны животных быстро заживали, практически не воспалялись и оставляли мало рубцов.

Тест: биопринтер наносит кожу на обожженную рану. Источник: www.bbc.com

До экспериментов с печатью кожи непосредственно на людях еще далеко, поскольку есть много нюансов: в частности, ученым еще предстоит решить, как предотвратить повреждение клеток от тепла, выделяемого принтером, или, например, как воссоздать кожу того же оттенка, что и у пациента, и еще много всего. И все же уже есть большие подвижки.

В теле человека находятся десятки тысяч километров вен, артерий, капилляров, которые тоже могут повредиться или «износиться», поэтому ученые работают над тем, как распечатывать на принтере кровеносную систему. Создание жизнеспособных сосудов важно также и для правильной работы других органов.

Команда специалистов из Университета Карнеги-Меллон (США) смогла распечатать кровеносные сосуды, используя в качестве материала гель на основе микрочастиц желатина. Этот биосовместимый материал подходит лучше, чем фибрин или коллаген, поскольку не оседает под собственным весом и остается достаточно плотным, чтобы напечатанные слои не растекались.

Пока что для внедрения в человеческий организм распечатанные кровеносные сосуды не готовы, однако они готовы к тестированию на животных.

Почки. Одна из самых зрелищных демонстраций технологии 3D-печати произошла в 2011 году на конференции TED, когда принтер напечатал настоящую почку прямо во время выступления доктора медицины, профессора урологии из Института регенеративной медицины Wake Forest Энтони Атала. Модифицированный струйный принтер «распылил» живые клетки, взятые у пациента, по шаблону, полученному из магнитно-резонансной томографии. Почка получилась правильной формы и нужного размера.

Источник: ted.com

Мочевой пузырь. В 2013 году тот же Энтони Атала и его команда забрали сто клеток из плохо функционирующего мочевого пузыря пациента, культивировали их, добавили в них специальные питательные вещества и загрузили в принтер. Далее устройство «лепило» эти клетки на специальный каркас из коллагена. Полученную форму ученые поместили в инкубатор, где она «дозревала» до нужного состояния. И когда та достигла кондиции, ее пересадили пациенту. Со временем сердцевина растворилась и оставила вполне рабочий орган. Кстати, пациент здоров по сей день.

Сердце. В 2019 году исследователи из Израиля смогли создать полностью функциональное сердце из клеток человека. Основой для органа послужили жировые клетки — их ученые перепрограммировали так, чтобы те превратились в недифференцированные стволовые клетки и затем стали сердечными или эндотелиальными. По размеру сердце получилось меньше человеческого, но соответствует всем свойствам тканей человека, что важно для устранения риска отторжения.

Источник: medic.ua

По прогнозу специалистов футурологов из Великобритании, 3D-печать органов станет полностью доступной для общества через 50 лет. За это время предстоит решить ряд вопросов и проблем. Например, ученым нужно будет разработать жизнеспособные органы с учетом всех сложностей структуры человеческого организма и провести соответствующие клинические испытания. Распечатать сердце уже удалось, но нужно сделать так, чтобы оно прижилось, билось и функционировало как полагается. Необходимо будет пройти все стадии правового регулирования, прежде чем выйти на рынок. К тому же нужно разработать специальное программное и аппаратное обеспечение, которое пишется на основе больших данных: медицинских, клинических, статистических, математических и др. Также необходимо будет решить, кто будет следить за всем этим производством.

Ежегодно миллионы людей нуждаются в пересадке того или иного жизненно важного органа, и часть из них так и не дожидается и умирает. Ученые признают, что пока напечатать органы для всех нуждающихся нет возможности. Для решения всех проблем нужно много времени, а пока все, кто работает над технологией биопринтинга — врачи, ученые, программисты, инженеры, — каждый день делают успехи в ее развитии. И уже нет сомнений, что через 10-20 лет медицина станет совсем другой, в том числе благодаря 3D-печати.