Выращивание органов (биопечать, биопринтинг)

Поджелудочная железа

А вот мини поджелудочная железа с полным комплексом сосудов была создана в Польше. Полномасштабный бионический орган планируют использовать в борьбе с сахарным диабетом.

Интересный факт!

Разработки в области трансплантации и смежных сфер дают нам понять, что бионическое будущее не за горами. Человечеству только надо определиться с вопросами морали и этики, проведя четкую границу, что можно и нельзя делать с телом человека. Вот, к примеру, слышали ли Вы о планах британского нейрохирурга Брюса Мэтью трансплантировать целую голову? Интересно, что в научных кругах активно обсуждается не столько фактическая возможность, сколько этичность подобной операции. Но это только планы, посмотрим, что будет дальше.

«Нет ничего более изобретательного, чем природа»

Рисунок 1. Сопоставление размеров модифицированного насекомого с монетой США номиналом 25 центов (диаметр — 2,4 см).

На спине насекомого закрепляли чип, подающий сигналы на антенны таракана и таким образом корректирующий траекторию его движения (видео 1). Перед учеными встала непростая дилемма: для успешной работы чипа требовались батарейки, которые значительно утяжеляли таракана. Было найдено изящное решение, которое можно назвать демонстрацией слаженной работы научных отраслей: с помощью физики удалось отыскать новое применение естественным биологическим процессам в организме таракана. При переваривании пищи таракан выделяет сахар трегалозу. На одном из электродов трегалоза раскладывается на две молекулы глюкозы. С помощью фермента гексокиназы происходит реакция фосфорилирования глюкозы и образуется глюкозофосфат. Эта реакция сопровождается выделением электронов, которые движутся ко второму электроду, то есть создают электрический ток. Ученым удалось добиться того, что таракан своей жизнедеятельностью сам и обеспечивает успешную работу чипа. Внедренные технологии удачно вписались в отлаженные эволюцией механизмы.

Видео 1. Движение радиоуправляемого таракана

В марте 2016 года было опубликовано другое исследование, также связанное с управлением насекомыми, но основанное на ином принципе. Группа ученых Наньянского университета работала с жуками Mecynorhina torquata . Воздействие производили на группы мышц жуков, ответственные за движение лапок (рис. 2). То есть стимулировали опорно-двигательный аппарат, а не нервную систему.

Рисунок 2. Анатомия передней ноги жука. а — Мышцы верхней стороны тела жука. б — Мышцы с нижней стороны. Крестиками помечены группы мышц, стимулируемые электрическими импульсами.

Меняли очередность воздействия и его силу — таким образом регулировали скорость передвижения жука (рис. 3).

Рисунок 3. Отслеживание ширины шага и скорости перемещения жука. Красные кресты указывают координаты передней ноги и рога жука, по которым высчитывалась ширина шага, калибруемая по обычной линейке.

Его перемещения отслеживались с помощью технологии захвата движения. Три специальные камеры отслеживали движения жука и представляли их в виде передвижений упрощенной трехмерной модели насекомого. Биология, физика и информатика внесли свой неоценимый вклад в конечный результат — рисунок 4.

Рисунок 4. Установка для захвата движения насекомого и компьютерная модель. а — Компьютерная система захвата движений. б — К передним ногам и спине жука прикрепляли светоотражающие маркеры для отслеживания движений. в — Собранные 3D-данные о движении преобразовывали и показывали в виде трех независимых графических сегментов.

Модифицированные насекомые давно будоражат людское воображение. Они обладают отличной проходимостью, которая может пригодиться в шпионской деятельности. Подобное применение освещалось в кинематографе и имеет неоспоримые преимущества (видео 2).

Видео 2. Отрывок из фильма «Пятый элемент» (режиссер Л. Бессон)

Однако насекомые-киборги пригодятся и в более мирных целях. Например, в поиске пострадавших под завалами.

Причина 1. 3D-печать дорогая и медленная

3D-печать оказалась в центре внимания во время пандемии COVID-19 и сопутствующих экономических потрясений. Компании — от отраслевых лидеров до представителей малого бизнеса, работающих не дома, — активно использовали аддитивное производство, чтобы быстро изготавливать средства борьбы с пандемией, такие как маски для лица, аппараты искусственной вентиляции легких и зонд-тампоны для отбора проб.

Многие отдают должное аддитивному производству, оценивая его помощь в борьбе с пандемией, и некоторые считают это переломным моментом в развитии индустрии 3D-печати. Однако есть и те, кто придерживается стереотипа многолетней давности о том, что эта технология делает производство медленнее и дороже.

Говорить так о 3D-печати в целом — несправедливо и некорректно, но все же в этом есть доля истины.

Есть несколько методов 3D-печати металлом. Ведущие производители используют те, которые основаны на спекании, плавлении или напылении металлического порошка. По этой технологии детали создаются из сплавленных вместе крупинок металла. Однако использовать металлический порошок дорого. При обращении с ним производственные бригады нуждаются в дополнительных мерах безопасности. Кроме того, много времени и денег уходит на процессы постобработки: на удаление остатков порошка, термическую и механическую обработку.

2020

Начало эксперимента по биопечати костной ткани

12 апреля 2020 года Zdrav.Expert стало известно, что российские космонавты на МКС начали эксперимент по печати неорганических компонентов костной ткани крысы. Печать будет длится несколько дней.

Российские космонавты проводят эксперимент по биопечати костной ткани

Полученные образцы вернут на Землю, после чего ученые их изучат, а осенью 2020 года планируют провести эксперименты по пересадке этих образцов крысам, сообщил управляющий партнер компании 3D-Bioprinting Solutions, создавшей космический биопринтер, Юсеф Хесуани.

До этого на российском биопринтере в космосе уже проводились эксперименты по печати различных тканей — хрящевой, костной, мышечной. В этот раз космонавтам предстоит несколько дней печатать только костную ткань. Постановщиков эксперимента интересуют свойства полученных в космосе материалов, то есть их способность инициировать рост ткани и то, насколько хорошо они подходят в качестве каркаса для такого роста. В будущем подобная технология может использоваться для лечения критических переломов, а также для замещения дефектов при опухолях костной ткани или окружающих мягких тканях с метастазами в кость. Впервые такой эксперимент провел на орбите космонавт, Герой России Олег Кононенко. Вот что он рассказал:

При проведении первого сеанса эксперимента, который я выполнил в декабре 2018 года, были получены тканеинженерная конструкция хряща человека (хондросфер) и щитовидной железы крысы из клеток щитовидной железы животного. Если говорить строго научным языком, то в условиях невесомости методом магнитной левитационной сборки была успешно осуществлена формативная биофабрикация тканеинженерных конструкций. Исследование имеет неоспоримый мировой приоритет России, поскольку ранее подобные в условиях невесомости никем не проводились.

Практическое применение данной технологии — изучение космической радиации. Космическая радиация негативно влияет на организм человека, особенно при полётах за пределами защитной магнитосферы Земле. Технология биопечати позволяет создавать чувствительные к радиации так называемые органы-сентинелы в качестве моделей изучения радиационных воздействий. Эти знания потребуются при выполнении дальних полётов, при планировании строительства лунных баз и создании планетарных поселений.

На 12 апреля 2020 года на МКС находятся российские космонавты Анатолий Иванишин, Иван Вагнер и Олег Скрипочка, а также американцы Крис Кэссиди, Эндрю Морган и Джессика Меир. Иванишин и Вагнер прибыли с Кэссиди 9 апреля на корабле «Союз МС-16» и привезли необходимые для эксперимента материалы. Олег Скрипочка вернется на Землю вместе с Морганом и Меир на «Союзе МС-15» и привезет полученные ткани для изучения.

Планы по 3D-печати костных тканей крыс

4 марта 2020 года Zdrav.Expert стало известно, что с 10 апреля 2020 года экипаж Международной космической станции приступит к экспериментам по 3D-печати костных тканей для последующей перекристаллизации и проведения трансплантации крысам. В исследованиях используется магнитный биопринтер «Орган.Авт» за авторством российской компании 3D Bioprinting Solutions.

Биопринтер «Орган.Авт»

Оборудование доставлено на борт МКС в декабре 2018 года. На март 2020 года проведены эксперименты по 3D-печати органических конструктов с , человеческих хрящевых тканей, , , и даже .

Эксперимент по 3D-печати костных тканей предстоит выполнить космонавтам Анатолию Иванишину и Ивану Вагнеру, которые отправятся на орбиту 9 апреля 2020 года на корабле «Союз МС-16». 3D Bioprinting Solutions активно привлекает к исследованиям зарубежные компании и исследовательские учреждения: в предыдущих опытах по 3D-печати мышечными и соединительными тканями принимали участие ученые из США и Израиля, предоставившие органические образцы.

Список литературы и библиографических ссылок:

Опубликовано: 30.3.2021

Дополнено: 27.4.2021

3880

Куриное мясо из пробирки – пищевая революция по-сингапурски

2650

Не спится в полнолуние? — Вот почему

36379

Дыхательная гимнастика Стрельниковой для здоровья легких, сердца и не только

29396

Состояние ног – отражение здоровья печени. 9 самых заметных симптомов болезней

13629

Сухой воздух в помещении — опасность для здоровья!

53508

11 основных показателей крови, которые укажут на то, что вы нездоровы

24325

Почему у Вас дергается глаз: основные причины и методы устранения?

52128

Простые тесты, которые помогут проверить, как работает Ваше сердце

19438

Пластический хирург. Чем занимается данный специалист, какие операции проводит, какие патологии лечит?

11900

Какие продукты продлевают жизнь?

265734

Печеночная недостаточность. Причины, симптомы, признаки, диагностика и лечение патологии.

385929

Почечная недостаточность. Причины, симптомы, признаки, диагностика и лечение патологии.

88451

Перелом костей стопы, пяточной и плюсневой. Причины, симптомы, виды, первая медицинская помощь и реабилитация

110654

УЗИ почек. Что такое УЗИ, показания, какие болезни выявляет

97195

УЗИ мочевого пузыря. Что такое УЗИ, показания, какие болезни выявляет

54697

УЗИ поджелудочной железы. Что такое УЗИ, показания, какие болезни выявляет

102900

УЗИ печени и желчного пузыря. Что такое УЗИ, показания, какие болезни выявляет

313092

Колит в правом боку? Печеночная (желчная) колика — причины, симптомы, лечение, неотложная помощь и профилактика

12033

11 напитков, помогающих продлить молодость

238640

Пороки сердца. Пороки митрального клапана.

12785

Здоровье при любом весе

Роль дизайнера в биопринтинге

Какую же роль занимает дизайнер в биопринтинге?

Для того чтобы создать искусственный орган или ткань, вначале необходимо разработать их макет, и эта задача лежит на дизайнере. Для этого, кроме навыков проектирования, ему понадобится хорошее знание биологии и анатомии, а также физики и математики.

Компьютерная модель будущего органа должна отражать все анатомические и тканевые особенности будущего органа, в том числе сосудистый рисунок. Кроме того, необходимо рассчитать физические и математические параметры макета.

Для такой работы необходима специальная компьютерная программа, которая позволяет моделировать объекты на клеточном и молекулярном уровнях, прорабатывать возможные варианты их взаимодействия и производить необходимые вычисления.

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:

https://youtube.com/watch?v=4ZgIf9BW0Og

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.

Оборудование и материалы

Линейка профессиональных 3D-принтеров CJP компании 3D Systems включает пять моделей – от компактной ProJet CJP 260Plus до ProJet CJP 860Pro, которая имеет камеру построения максимального размера – 508 381 229 мм. В зависимости от поставленных бизнес-задач и бюджета пользователь сможет легко выбрать 3D-принтер с необходимым ему функционалом.

Гипс – один из немногих материалов, с помощью которых можно изготовить как полноцветные модели посредством 3D-печати, так и производственные модели для литья в землю, снятия силиконовых форм и других процессов, при сравнительно небольшой стоимости.

В технологии ColorJet Printing применяется мелкодисперсный композитный материал VisiJet PXL Core, обладающий отличной цветопередачей. Он служит базовым компонентом для создания моделей, а наносимые слои склеиваются между собой и окрашиваются с помощью специального связующего вещества.

Схема технологического процесса CJP

Бескаркасные подходы: биопечать

Еще одно направление — бескаркасные подходы с использованием трехмерных клеточных систем. Это технологии тканевых сфероидов и клеточных пластов, когда без использования материалов мы создаем трехмерную структуру с использованием различных подходов. Главная идея в том, что никаких дополнительных искусственных материалов в эту структуру не вносится.

Суть метода биопечати в том, что будущий орган формируется из двух основных компонентов: живых клеток и клеточной матрицы, моделирующей условия межклеточной среды и соединительной ткани.

Владимир Александрович Миронов – научный руководитель лаборатории 3D Bioprinting Solutions, профессор Университета Вирджинии, кандидат медицинских наук. Тканевый инженер, автор первой публикации о печати органов, он заложил основы развития биопринтинга во всем мире. Он же впервые создал целый орган, щитовидную железу, на принтере, который был разработан в компании 3D Bioprinting Solutions.

Выбор клеток для 3D-биопечати тканей или органов — важнейшее условие их правильного функционирования в созданном материале. В организме ткани и органы состоят из многочисленных типов клеток с особыми и необходимыми биологическими свойствами, что должны быть воспроизведены и в трансплантируемой ткани.

Откуда можно взять клетки? Костный мозг, жировая ткань, пульпа зуба, пуповинная кровь — все эти источники в 2019 году активно исследуется и сравниваются, какие лучше клетки подойдут для каких подходов. Источников клеток в нашем организме очень много, и правильное их использование может привести к тому, что мы сможем воссоздать любую ткань, которую захотим.

Существует также миф, что все стволовые клетки могут вызвать рак. Это не так. Только недифференцированные эмбриональные или индуцированные плюрипотентные стволовые клетки могут являться реальной прямой причиной развития опухоли и рака. Для остальных видов нет научных статей, подтверждающих этот миф. Часто используемые в клеточных технологиях мезенхимные стромальные клетки сами не дают начало опухолевым или раковым клеткам, но они имеют способность к миграции в опухоль, если она уже сформирована в организме. Продолжаются эксперименты с использованием клеток как носителей для доставки какого-то вещества в раковую опухоль. Если вводить клетки системно, то они будут концентрироваться в раковой опухоли и это может стать направленной доставкой какого-то лекарства в эту опухоль.

Плюсы и минусы CJP-технологии

3D-печать по технологии ColorJet Printing

Рассматриваемый метод полноцветной 3D-печати имеет следующие преимущества:

скорость печати;
широкая цветопередача (390000 оттенков);
отсутствие поддерживающих структур;
низкая себестоимость;
безотходное использование;
точность (минимальный размер топологического элемента – 0,1 мм);
легкость в эксплуатации.

Комментарий технического эксперта iQB Technologies Алексея Чеховича: «Конечно, без определенных недостатков не обойтись. Объекты, полученные методом CJP-печати, хрупкие, после создания требуется аккуратная постобработка. После постобработки их достаточно пропитать специальными составами – цианокрилатом или эпоксидной смолой, чтобы повысить прочность готового прототипа. Изделия, пропитанные цианокрилатом, высыхают очень быстро – в среднем за полчаса, но несколько уступают в прочности деталям, обработанным эпоксидной смолой. Она высыхает дольше – до суток, однако изделия становятся такими твердыми, что ими можно, как говорится, ‘забивать гвозди’».

Каркасные модели: пластик в теле замещается живой тканью

На 2019 года пока рано говорить о том, что биопринтеры будут использоваться в клиниках. Пока речь идет о концепции биофабрики, когда от компьютерной модели, с использованием всех достижений (клеточных материалов для активных соединений, биореакторов) мы на выходе получаем ткань, которую можно в дальнейшем пересаживать.

После того как структуры имплантируются в животных, пластик постепенно замещается естественной структурной матрицей из белков, продуцируемых клетками. Также в имплантаты постепенно внедряются кровеносные сосуды и нервная ткань.

Результаты, по мнению ученых, оказались многообещающими. Ушные раковины, подсаженные мышам, спустя два месяца сохранили форму, а также в них на 20% увеличилось содержание гликозоаминогликанов, которые входят в состав клеточного матрикса. Мышечная ткань, вытянутая вдоль опорной конструкции, спустя две недели также сохранила свои механические характеристики.

Полет фантазии

В результате эволюции организмы, ныне живущие на Земле, достигли совершенства. Все процессы для их успешной жизнедеятельности отлажены и дополняют друг друга. Казалось, не нужно ничего более. Однако не существует границ для человеческой фантазии. Если наличествует должный научный аппарат, почему бы не создать нечто новое, не имеющее аналога в природе? Группа ученых из Университета Иллинойса сделала первые шаги в этом направлении. В 2012 году был показан биобот, приводимый в действие клетками сердечной ткани мышей , . Он представлял собой 3D-напечатанный каркас из гидрогеля с высеянными на его поверхность кардиомиоцитами (рис. 8). Клетки сокращаются и расслабляются самостоятельно при соблюдении определенных внешних условий, и биобот размером не более 1 см двигается.

Некоторое время назад «биомолекула» писала о полумягком роботе-прыгуне, тоже созданном посредством 3D-печати: «3D-принтер произвел на свет полумягкого робота-прыгуна» . — Ред.

Рисунок 8. Движения биобота на клетках сердечной мышцы.

Однако контролировать сокращение сердечных клеток — непростая задача, и в 2014 году та же группа ученых представила модернизированную версию биоробота: уже с использованием клеток скелетных мышц мышей (рис. 9). Под воздействием электрических импульсов, подаваемых с внешнего электронного устройства, они сокращаются, вследствие чего биобот передвигается.

Рисунок 9. Строение биобота: гидрогелевый каркас и скелетная мышечная ткань.

Скорость движения регулируется частотой подаваемого поля — это было установлено экспериментально (видео 4).

https://youtube.com/watch?v=F6SUbHn4yg4

Видео 4. Напечатанные на 3D-принтере биоботы, приводимые в движение мышечными клетками и управляемые электическими импульсами

Разработанная технология позволяет использовать гидрогелевые каркасы различных форм и дает достаточно свободы для дальнейших изысканий. Уже достигнутый контроль над движением биоробота планируется улучшить. Ученые собираются внедрить в мускульные ткани нейронные сети. Это усложнит алгоритмы движения, но позволит подключить иные способы управления, например, светом или химическим составом среды.

ColorJet Printing: конструкция 3D-принтера и технологический процесс

3D-принтер, в котором реализована CJP-технология, состоит из двух основных блоков – камеры построения для основного материала и камеры очистки для удаления лишнего материала. В некоторых моделях 3D-принтеров камера очистки поставляется в качестве дополнительного оборудования.

Одна из особенностей технологии заключается в том, что в процессе печати не задействуются поддержки. Поддерживающей структурой для модели служит несклеившийся порошок, который удаляется в камеру очистки и может быть использован в очередной сессии 3D-печати.

Этапы технологического процесса:

3D-модель изделия экспортируется из САПР в виде полигональной сетки, разделяется на поперечные сечения и выводится на дальнейшую печать.
Тонкий слой порошка подается на стол построения 3D-принтера и разравнивается валиком.
Сверху на порошок выборочно наносится связующее вещество.
Камера опускается ниже на уровень слоя (0,1016 мм), наносится следующий слой порошка.
Процесс повторяется до тех пор, пока не завершится построение детали.
Далее лишний порошок выкачивается из камеры 3D-принтера встроенной вакуумной системой, и готовая деталь извлекается.