3D-принтер напечатал сенсоры на коже человека

Биопечать органов на 3D принтере, как это работает?

3D-принтер напечатал сенсоры на коже человека

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.

Источник: https://make-3d.ru/articles/biopechat-organov-na-3d-printere/

3D печать органов: лучше ампутировать ногу, чем лечить перелом

3D-принтер напечатал сенсоры на коже человека

Печать органов на 3D принтере или биопринтинг — перспективная технология выращивания здоровых и живых органов взамен поврежденных или отсутствующих. Кроме 3D-принтера, для биопринтинга нужна модель органа, клеточный материал пациента и среда, где орган сохранится до имплантации. 

Напечатанные органы лучше протезов и трансплантированных частей тела. Их возможности идентичны родным и они не отторгаются иммунной системой, если созданы из ДНК пациента. Биопринтинг сократит время на получение нужного органа и сохранит жизнь больным, которым нужна незамедлительная пересадка.

Печать органов на 3Д принтере уже успешно опробована на животных. Ученые Северо-Западного Университета внедрили стерилизованным мышам искусственные яичники и они родили здоровых мышат. В китайской компании Sichuan Revotek макакам-резусам имплантировали кровеносные сосуды, выращенные из материала этих же макак.

Из человеческих частей тела, пока печатаются только внутренние ткани и кожа. Создаются уменьшенные, но работающие копии ушей и носов. Первая печать органов человека ожидается к 2030-му году.

Как работает биопринтинг

Исследовательские группы или компании развивают разные концепции биопечати:

  • Каркасная. Наращивание живых клеток на неорганическую основу, исчезающую с развитием естестественных связей между клетками. сложность — подобрать материал, который настолько же эластичный или жёсткий, как заменяемый орган. Он должен быстро деградировать, чтобы не мешать укреплению межклеточного матрикса и раствориться, не оставив токсичных соединений. Для каркасной печати подходит гидрогель, титан, желатин, синтетические и биополимеры.  
  • Бескаркасная. Нанесение готовыми клетками на гидрогелевую основу. Пока клетки в принтере, они охлаждены и находятся в тонких гидрогелевых сфероидах. При печати температура повышается до 36,6°, сфероиды рассеиваются и клетки постепенно сами формируют природный каркас — клеточный матрикс. Эта печать менее распространена, чем каркасная — появилась позже и сложнее воспроизводима.  
  • Мимикрия. Технология будущего, предполагает создание полных копий органов сразу. Для неё разрабатывается биопечать на молекулярном уровне и проводятся глубокие исследования природы клеток.  

Способы 3D печати органов

Струйные. Первые устройства для биопечати были струйными, этим методом печатают и обычные принтеры. Они хранят биологический материал в картриджах, который распыляется на гидрогелевую подложку, как краска на бумагу.

Недостатки — неточный выброс капель и закупорка распыляющего сопла с возможной гибелью клеточного материала. Струйная печать органов на принтере не подходит для вязких материалов, поскольку они не распыляются. Область применения ограничивается восстановлением костной, хрящевой ткани, мышц и кожи.

Достоинства — дешевизна и массовая воспроизводимость.

Микроэкструзионные. Этот способ применяется в неорганической 3D-печати. Для печати используется пневматическая подача материала в подвижную головку-экструдер, которая укладывает клетки. Чем больше головок, тем точнее и быстрее работает принтер.

Недостатки — чем плотнее укладываются клетки, тем меньше их выживает. При сопоставимой плотности укладки, от микроэкструзионной печати погибает больше клеток, чем при струйной печати.

Достоинства — подходит для 3D печати органов высокой плотности, тонкая настройка подачи материала за счет регулирования давления.

Лазерные. Распространены в промышленности, но применяются в биопечати. Используют лазер для нагревания стекла с жидким клеточным субстратом. В точке концентрации луча создается избыточное давление, которое выталкивает клетки на нужный участок подложки.

Между лучом и стеклом с биоматериалом размещается отражающий элемент, которая снижает мощность луча. Недостатки — повышенное содержание металла в клетках от испарения отражающего элемента. Цена. Достоинства — контролируемая вплоть до отдельных клеток, укладка биоматериала.

Кто предлагает 3D печать органов

Биопринтинговые компании, которые предлагают 3D-печать органов или продают биопринтеры:

  • Organovo — Сан Диего, США. Печатает и продаёт ткань печени «exVive3D» фармацевтическим компаниям. В 2009, Organovo совместно с австрийской Invetech выпустили первый серийный принтер для биопечати — Novogen.
  • BioBots — стартап, презентовавший дешевый коммерческий биопринтер на TechCrunch 2013. Сегодня для покупки доступна модель Biobot 1, Biobot 2 пока в разработке, но уже представлен на сайте компании.
  • 3D Bioprinting Solutions — Россия, Москва. Сосредоточена на бескаркасной печати, разработала свой 3D-принтер FABION и работает над собственной технологией органопринтинга
  • Cyfuse Biomedical — Токио, Япония. Разработали биопринтер Regenovo, который применялся для печати кожи и успешно выращивал 2-мм сосуды.

Сколько стоит 3D-биопринтер

Средняя цена биопринтера — четверть миллиона долларов, но доступны и бюджетные модели ценой до $10 000. Большинство принтеров, доступных для покупки — экструзионного типа и работают с каркасной печатью.

  • 3D Bioplotter — $200,000. Envision TEC, Германия.
  • Novogen MMX — $250,00. Organovo, США.
  • Biobot 1 — $10 000. Biobots, США.
  • 3DDiscovery — $200,000. RegenHU & Biofactory, Швейцария.
  • BioAssemblyBot — $160 000. Advanced Solutions, Нидерланды.

Поддержка больного аппаратами жизнеобеспечения стоит около $75 тыс. в год. За 10 лет, больной потратит $1 млн. Принтер стоит $200, 000 и примерно столько же — операция. Учитывая, сколько стоит печать органов, операция с применением 3D биопринтинга удешевляется на 50%.

Перспективы биопечати

3D биопечать прошла путь от концепции до работающей и коммерчески успешной технологии. Пока основные клиенты биопринтинговых компаний — крупные фармацевтические корпорации. Они ускоряют тестирование лекарств, сразу испытывая их на распечатанных тканях человека.

Дорогие биопринтеры не появятся в городских клиниках через 5 лет, но некоторые пациенты уже выздоравливают благодаря 3D печати. Челюсть 83-летней женщины из Бельгии поразил остеомиелит.

Восстановление стоило дороже и продлилось бы дольше, чем удаление больной челюсти и имплантация распечатанной новой. Команда врачей под руководством профессора Жюля Пукана выполнила операцию и женщина могла говорить сразу после операции.

 Развитие биопечати приведёт к медицинской практике, где проще удалить поврежденную конечность и вырастить новую, чем лечить травмы, которые сейчас лечат без ампутации.

Медицина далекого будущего минимизирует механическое вмешательство в организм. Скальпель останется в прошлом — рой нанороботов будет печатать органы сразу внутри организма.

 На 2018, намечена полноценная печать человеческого органа на принтере — почки. Затем распечатают бронхи, артерии и сердце.

Но даже до клинических испытаний на людях около 10 лет, а массовая 3D печать органов человека и частей тела наступит ещё позже.

Кроме врачей, биопринтинг привлекателен для косметологов и пластических хирургов. Желание оставаться молодым и красивым, а не лечение редких и сложных болезней, сделает 3Д печать органов человека массовой. Возможно, люди будущего будут менять органы и внешность так же просто, как смартфоны.

Источник: https://klona.ua/blog/3d-pechat-i-prototipirovanie/3d-pechat-organov-luchshe-amputirovat-nogu-chem-lechit-perelom

Человеческие органы «печатающиеся» на 3D-принтере уже сегодня

3D-принтер напечатал сенсоры на коже человека

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.

Источник: https://quibbll.com/22814-chelovecheskie-organy-pechatayushhiesya-na-3d-printere-uzhe-segodnya/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.