Печатание органов на 3d принтере. Создан первый серийный биопринтер

Правообладатель иллюстрации Wake Forest Image caption С помощью 3D-технологий можно изготовить практически любую копию человеческого органа

Имплантированные в тела животных части костей, мышцы и хрящи, изготовленные на 3D-принтере, функционируют нормально, говорится в опубликованных в журнале Nature Biotechnology результатах разработки американских ученых .

Прорывное открытие дает возможность использования живых тканей для восстановления поврежденных органов.

Врач-профессор из Лондонского университетского колледжа назвал новую технологию "гусыней, которая несет золотые яйца".

Идея интегрировать индивидуальные стволовые клетки человека в изготовленную на 3D-принтере точную копию поврежденного органа способна совершить революцию в регенеративной медицине.

Заменить сломанную челюсть, поврежденную сердечную мышцу или вернуть человеку отсутствующее ухо с помощью такой технологии не составит большого труда.

На сегодняшний день главной проблемой трансплантации искусственно регенерированных органов остается сложность поддержания их жизнеспособности - ткани толщиной свыше 0,2 мм испытывают нехватку кислорода и питательных веществ.

Губка

Команда американского медицинского центра Wake Forest разработала новую методику, которая позволяет изготавливать при помощи 3D-принтера живую ткань, пронизанную микроканалами. Ткань имеет губкообразную основу, что позволяет питательным веществам и нейронным сетям проникать в ее структуру.

Правообладатель иллюстрации Wake Forest Image caption Для 3D-печати частей тела используется интегрированная регенеративная система

Технология представляет собой интегрированную систему, часть которой отвечает за рост тканей, другая - за изготовление на 3D-принтере точной копии заменяемого органа.

Исходный материал состоит из биоразлагаемого пластика, который формирует внешнюю структуру воссоздаваемого органа, и геля на водной основе, который содержит клетки и стимулирует их рост.

Испытания на животных показали, что после имплантации пластик постепенно разрушается, а его место занимает естественная структурная матрица из белков, продуцируемых клетками.

Кровеносные сосуды и нервы вращиваются непосредственно в имплантаты.

Широчайшие возможности

Как говорит профессор Энтони Атала, ведущий исследователь центра Wake Forest, в настоящее время уже можно печатать и человеческие ткани, но ученые хотят дождаться окончания тестов на животных, чтобы понять, насколько прочны воссозданные органы.

Правообладатель иллюстрации Wake Forest Image caption Так на томограмме выглядит сломанная челюстная кость

Как бы то ни было, 3D-печать открывает новые возможности для медицины. "Предположим, к нам поступил пациент с травмой челюсти, часть которой отсутствует. Мы делаем пациенту томографию, затем передаем данные на принтер, и он создаст недостающую часть челюстной кости, которая будет полностью подходить больному", - сказал он Би-би-си.

Правообладатель иллюстрации Wake Forest Image caption А так - изготовленный при помощи 3D-принтера недостающий фрагмент

Технологии с использованием биоразлагаемых материалов, которые затем пропитывают раствором со стволовыми клетками, уже применяются.

Два года назад в медицинском центре Wake Forest проводились опыты по пересадке выращенных в лаборатории женских половых органов, но в целом возможности таких процедур ограничены из-за проблем с сохранением жизнеспособности клеток.

Как говорит профессор Атала, в их недавнем эксперименте были созданы самые различные виды тканей - мышцы, мягкие хрящи и твердые кости, - что свидетельствует о широчайших возможностях новой технологии.

Золотая гусыня

Профессор Мартин Бирчелл, занимающийся хирургией в Лондонском университетском колледже, называет результаты исследования поразительными.

"Перспектива использования 3D-печати человеческих тканей и органов для имплантации была реальной, но, признаюсь, я не ожидал увидеть такой быстрый прогресс. То, что они сумели создать, можно назвать гусыней, несущей золотые яйца!" - восхитился врач.

Он также считает, что прежде чем использовать новую технологию на людях, нужно провести дополнительные испытания, но надеется, что это займет немного времени.

"Учитывая масштаб этого прорывного исследования, прогресс в других областях, ресурсы, имеющиеся в распоряжении ученых из Wake Forest и насущные потребности здаравоохранения, я думаю, что уже менее чем через десять лет хирурги, такие как я, смогут делать операции с напечатанными органами и тканями. Жду-не дождусь", - добавляет Мартин Бирчелл.

Первый биологический 3D-принтер, специально разработанный в расчёте на мелкосерийный, но всё же промышленный выпуск, открывает новые перспективы в области имплантации и восстановления органов и тканей. Таков результат сотрудничества американской компании Organovo и австралийской Invetech .

Вместо того чтобы пытаться вырастить в пробирке орган или кусочек ткани нужной формы и заданных свойств, куда эффективнее напечатать его на биопринтере, — полагают специалисты Organovo. В роли чернил такой аппарат использует запас культивированных клеток нужного типа (эпителиальные, соединительные, мышечные), а прецизионная печатающая головка под управлением компьютера выкладывает клетки (и вспомогательные вещества) в нужном порядке.

Собственно, первые впечатляющие опыты в данной сфере проводились ещё несколько лет назад. Над разными вариантами технологии печати органов и до сих пор работают исследователи сразу в нескольких институтах и университетах. Время от времени появляются трёхмерной биологической печати, отличающиеся нюансами в составе «чернил» и самом процессе формирования из них целой ткани.

Особенно преуспели на этой ниве профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и сотрудники его лаборатории в университете Миссури, раскрывшие новые тонкости биопечати ещё в 2007 году. Мы подробно рассказывали о развитии данной технологии , её первых крупных успехах и собственно создании Organovo — её Форгач основал как раз для коммерциализации своих разработок.

В результате появилась технология NovoGen, в которой продуманы все необходимые детали биопечати как в биологической части, так и в части «железа». Первые экспериментальные принтеры для Organovo (и по её «эскизам») строила компания nScrypt . Но это были устройства, необходимые для шлифовки технологии. Теперь же настало время серийного выпуска биопринтеров.

Как сообщает Organovo в своём пресс-релизе , в мае 2009 года она выбрала в качестве промышленного партнёра компанию Invetech. Последняя обладает более чем 30-летним опытом в проектировании лабораторного и медицинского оборудования, в том числе — автоматизированного и компьютеризированного.

А в начале декабря первый экземпляр 3D-биопринтера, воплощающего в себе технологию NovoGen, был отправлен из Invetech в Organovo. Новинку отличают компактные размеры, интуитивно понятный компьютерный интерфейс, высокая степень интеграции узлов и высокая надёжность.

Новый принтер обладает такими скромными габаритами, что его можно спокойно поставить в биологический шкаф для обеспечения стерильной среды в процессе печати (фото Organovo).

Этот принтер обладает двумя печатающими головками. Одна заправляется целевыми «красками» (человеческие клетки печени, почек, стромальные клетки и так далее), вторая — вспомогательными материалами (поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста).

Особая гордость австралийских инженеров — лазерная калибровочная система и роботизированная система позиционирования головок, точность которой составляет считанные микрометры. Это очень важно для размещения клеток в правильном положении.

Перед нами первый в мире именно серийный биопринтер, ведь уже в ближайшее время Invetech намерена поставить ещё несколько таких же аппаратов для Organovo, а она уже займётся распространением новинки в научном сообществе. Первые образцы 3D-биопринтера от Organovo и Invetech будут доступны для исследовательских и медицинских организаций в 2010 году.

Когда-то это было научной фантастикой, а уже сегодня это научный факт - 3D печать человеческих органов применяется в медицине.

На первый взгляд сама идея производства органов «на заказ» с помощью 3д печати кажется сюжетом для фантастического фильма. Тем не менее, техника, способная создавать живые человеческие ткани, замещать жизненно важные органы и быстро залечивать открытые раны - это намного более реально, чем вы можете себе представить.

3D печатные органы уже используются в качестве учебных пособий для будущих хирургов, чтобы отточить их навыки перед столкновением с реальными чрезвычайными ситуациями в жизни. Также успешно пересаживают 3D печатные замены кости, но печать живых тканей станет следующим шагом в развитии этой новаторской технологии.

Процесс

Как и в любой другой 3D печати, объект печатается слой за слоем, но в отличие от 3д технологий PLA или ABS , для создания живой ткани используются живые клетки, которые находятся в гелеобразной массе. После этого клетки растут и развиваются, превращаясь в живую ткань, кости и даже целые органы. Перспективы того, что эта технология может сделать для человечества, поистине огромны. В мире острая нехватка донорских органов, и биопечать 3D могла бы стать решением этой проблемы.

Ранние разработки

Хотя технология 3Д биопечати пока еще не готова для использования в коммерческих целях, ее применение уже сейчас приносит умопомрачительные результаты.

С помощью 3д принтера RepRap группа биоинженеров из Университета Пенсильвании создала работающие кровеносные сосуды. Биоинженеры всего мира уверенно движутся к тому, что напечатать органы можно будет из клеток пациента, но на этом тернистом и сложном пути все еще достаточно трудностей и проблем, которые только предстоит преодолеть. Ключевая проблема, которая стоит перед биоинженерами - создание системы кровеносных сосудов, которая могла бы обеспечивать обмен питательными вещества и удалять отходы из внутренних клеток ткани. Поскольку возможности создать такие кровеносные сосуды нет, внутренние клетки быстро задохнутся и умрут. Но команда из Пенсильвании предложила удивительное решение проблемы.

Биоинженеры из Университета Пенсильвании попытались решить эту проблему, использовав 3D -принтер под названием RepRap для печати сети кровеносных сосудов из сахара. После того как в группу клеток внедрена специальная сеть кровеносных сосудов, сахар просто растворяется, при этом работающая сосудистая сеть остается.

Ученый-биоинженер Джордан Миллер говорит, что идея пришла ему в голову во время посещения выставки. "Впервые такая мысль посетила меня, когда я был на выставке Body Worlds (Мир тела), где можно увидеть отдельные пластиковые формы и слепки органов сердечно-сосудистой системы".

Когда сахар затвердевает, в пресс-форму добавляется гелеобразная масса с клетками печени. Этот гель покрывает и обволакивает кровеносные сосуды. Как только гель затвердевает, его можно извлечь из формы. Форма из сахара остается внутри до тех пор, пока гель не смывается водой, сахар при этом растворяется полностью. Жидкий сахар вытекает по тем же кровеносным сосудам, которые были созданы с его помощью, при этом какой-либо вред клеткам не наносится.

"С точки зрения работы с клетками эта новая технология делает образование тканей простым и легким делом", - говорит Кристофер Чен, профессор по инновациям на Факультете биоинженерии.

Прорыв

Хирург Энтони Атала - директор института регенеративной медицины Wake Forest , он и его команда сделали значительный шаг вперед в 3Д печати органов. Используя живые клетки, Атала работает над 3D -печатью почек для трансплантации. И хотя все еще находится на ранней стадии, команда Атала уже достигла значительного прогресса на пути к решению одной из самых больших проблем, стоящих перед трансплантацией - нехваткой донорских почек во всем мире.

Более 10 лет назад Атала успешно трансплантировал искусственный мочевой пузырь своему пациенту Люку Масселла, поэтому ему, как мало кому другому известно, как эта технология может изменить жизнь.

Энтони Атала задается вопросом: "Можем ли мы выращивать органы, вместо того, чтобы заниматься их трансплантацией?». Его лаборатория в институте регенеративной медицины Wake Forest именно этим и занимается - создает более 30 тканей и целых органов.

Практическое применение

Помимо трансплантации органов, 3D печать может быть использована в различных сферах медицины. Это поможет не только производить донорские органы, но также обеспечить лучшее заживление и выздоровление пациентов, и лучшее медицинское образование для уже работающих специалистов и студентов. Некоторые практические примеры того, где можно применять такие технологии:

1. Органы

Наиболее очевидное использование 3D печатных органов: пересадка. Невозможно переоценить способность создавать новые органы непосредственно из собственных клеток пациента. Это может спасти десятки тысяч жизней каждый год.

2. Поддержка скелета

Изготовление сложных и подробных объектов - одна из сильных сторон 3D печати, поэтому 3D -принтеры уже используются для создания биоразлагаемых структур для поддержки скелета, чтобы помогает и облегчает исцеление больного и рост тканей.

3. Замена костей

В сочетании с 3D - сканированием, 3D -принтеры могут создавать кость, например, бедренную, что идеально подходит для тех, кто нуждается в новой костной ткани. Создание замены костей специально подобранных для каждого пациента в значительной мере снижает дискомфорт для пациента и улучшает подвижность после пересадки.

4. Практика операций

Всякий раз, когда вы посещаете врача, вы хотите знать, что в ы в опытных руках. Никто не хочет быть стать первым, кого оперирует этот врач. С 3D печатными органами будущие хирурги могли бы выполнять десятки или даже сотни операций до того, как сделают эту же операцию реальному человеку. Возможность хирургов получить лучшую практику означает, что на проведение операции в результате понадобиться меньше времени, а выздоровление пройдет быстрее.

5 . Тестирование медицинских препаратов

Никому не нравится идея тестирования лекарств, будь то на животных или на людях. Но опять же, все мы хотим знать, что наши лекарства проверены и безопасны. С распространением 3D биопечати на напечатанных органах и тканях можно было бы проверить наличие побочных эффектов или негативных реакций на данный препарат в развитии. Если вы видите на бутылке или пакете с лекарством описание побочного действия от препарата, то это значит, что кто-то уже перенес это побочное действие при тестировании и изучении препарата. С 3D печатью мы навсегда забудем о тестировании медикаментов на людях и животных. Это также будет способствовать непрерывному развитию медицины.

Ведущие исследователи

Один из основных разработчиков 3д печати органов - компания Organovo из Сан-Диего. Их сайт гласит:

"В Organovo мы проектируем и создаем полностью функциональные человеческие ткани, используя наши собственные трехмерные технологии биопечати. Наша цель заключается в создании живых человеческих тканей, которые будут функционировать как природные ткани человека. С 3D тканями, которые точно соответствуют биологии человека, мы делаем возможным использование инновационных методов лечения:

В сотрудничестве с биофармацевтическими компаниями и научными медицинскими центрами мы проектируем, создаем и тестируем искусственно созданные ткани для моделирования заболевания и изучения токсикологии.

Мы даем исследователям то, чего раньше у них никогда не было: это возможность тестировать лекарства на функциональных человеческих тканях еще до введения препарата живому человеку; это поможет преодолеть существующую пропасть между доклиническими и клинических испытаниями.

Мы создаем функциональные, трехмерные ткани, которые могут быть имплантированы в организм человека для лечения или замены поврежденных или больных тканей".

Недавно компания была зарегистрирована на Нью- Йоркской фондовой бирже. Organovo уже доказала коммерческую ценность этой очень новой области деятельнсти, которая, несомненно, в будущем будет расти и развиваться.

Хотя персональные 3D-принтер не отстают и по мнению экспертов могут кардинально повлиять на область медицины.

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.

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.