3D-печать органов: технологии и возможности

В прошлой статье мы рассказали о ТОП-10 инноваций в области медицины, куда вошла 3D-печать органов. В статье подробнее расскажем об этой технологии.

3D-принтинг, или аддитивное производство, — технология, которая позволяет создавать физические объекты из геометрических моделей путём последовательного добавления материала. Напечатанные объекты нашли применение и в медицине: например, таким образом изготавливают обучающие модели, инструменты, протезы и импланты. Однажды учёные догадались использовать в качестве материала живые клетки, и это дало толчок к развитию тканевой инженерии.

Первый этап — создание трёхмерной цифровой модели с помощью системы автоматизированного проектирования CAD (Computer-aided Design). Готовую модель можно рассмотреть на мониторе или через очки виртуальной реальности и при необходимости отредактировать.

Трёхмерная модель CAD конвертируется в файл формата Standard Tessellation Language (STL). Это первый формат, разработанный специально для систем 3D-печати. STL поддерживается практически всеми 3D-принтерами. Однако у него есть ограничения по функциональности, поэтому появился Additive Manufacturing File (AMF) и ещё около 30 альтернатив. Фигура в STL или другом формате «нарезается» на слои.

Когда цифровая модель готова, за дело принимается принтер. Существует несколько технологий печати:

Заключительный этап — постобработка. Её задача — улучшить свойства, производительность и эстетику детали. Изделие могут почистить, покрасить, обработать паром. Чтобы деталь была более устойчива к температуре или царапинам, используют химические и физические методы обработки4.

Технология появилась в 80-х годах:

C 2005 года начинается движение в сторону потребительской печати. Дорогая инновация постепенно становится доступным инструментом. Первые проекты в этой области — Rep Rap от Университета Бата в Англии и Fab@Home от Корнелльского университета в США. Устройства относились к разряду DIY (Do It Yourself), то есть позволяли модифицировать технологию под свои задачи.

В 1988 году появился метод микропозиционирования клеток:

В 2003 году Томас Боланд создал метод струйной печати с использованием жизнеспособных клеток и запатентовал его три года спустя. Впечатляющая разработка вдохновлена обычным офисным принтером. Чтобы напечатать картинку, устройство оставляет на бумаге чернила в соответствии с цифровым изображением. Учёный заменил чернила на жидкость, содержащую клетки, а бумагу — на специальный субстрат. Ему удалось напечатать структуры из клеток бактерий и млекопитающих.

В 2009 году появляется один из первых коммерческих 3D-биопринтеров — Novogen MMX.

Аддитивное производство широко применяется в медицине, например в фармакологической промышленности. С его помощью можно изготавливать препараты с контролируемым высвобождением, которые трудно сделать традиционными методами. Можно составлять сложные комбинации из нескольких активных веществ.

С помощью 3D-печати из пластмасс, металлов или керамики можно изготавливать:

Биопринтинг — подраздел аддитивного производства, тесно связанный с регенеративной медициной. Биопринтинг изучает методы создания клеточных структур, имитирующих ткани человека. Для этого используется органический материал — жизнеспособные клетки и биологические молекулы.

Биочернила — материал для биопринтинга, содержащий живые клетки. К биочернилам предъявляется ряд требований:

Клетки в биочернилах могут быть организованы в виде сфероидов. Такая форма получается после центрифугирования или под действием гравитации, когда питательную среду с клетками переворачивают.

Помимо клеток в биопринтинге используется натуральный или синтетический биоматериал:

В биочернила также добавляют:

Биоматериал создаёт условия для роста клеток и поддерживает их положение в пространстве, то есть служит для создания своеобразных «строительных лесов».

Процесс биопринтинга можно разделить на несколько этапов:

Какие биопринтеры используют чаще всего:

Напечатанная ткань или орган используются в трансплантации, при испытании новых лекарств, в научных исследованиях.

Медицина сталкивается с нехваткой доноров, которые могли бы предоставить органы для пересадки. Трансплантация также осложняется этическими, религиозными и правовыми вопросами. Поэтому биопринтинг предстаёт особенно привлекательной идеей. Но он требует долгой и напряжённой работы многих специалистов.

Исследователи рассматривают биопринтинг как возможность создавать альтернативу тканям человека:

Сосуды в биопринтинге создают двумя методами. Первый — когда в напечатанный материал внедряются вещества, способствующие росту сосудов из подходящих клеток. Второй заключается в непосредственной печати полых конструкций29. Они могут иметь сложную геометрию и многослойную структуру. Учёные даже способны задавать определенную толщину стенки и диаметр будущего сосуда.

Печать органов человека на 3D-принтере — задача потруднее, чем в случае с тканями. Причина в том, что у органов сложная архитектура и множество функций.

Израильские учёные из Тель-Авивского университета в 2019 году впервые напечатали сердце. Несмотря на небольшой размер (около 2 см), у органа было всё необходимое для функционирования: кровеносные сосуды и камеры — предсердия и желудочки. Для создания биочернил использовали образец жировой ткани человека. Жировые клетки перепрограммировали в стволовые, а затем — в клетки сердца.

В урологии с помощью биопринтинга создают искусственные органы мочевыделительной системы — мочевой пузырь и мочеиспускательный канал. Для этого используют эпителий, выстилающий органы изнутри, и гладкие мышечные клетки. Клеточный материал имплантируют на сферический или трубчатый каркас, содержащий коллаген. Напечатанные органы должны адекватно растягиваться и сокращаться, чтобы накапливать и выводить мочу. Тогда их можно применять для пластики поражённых «родственников».

Аддитивное производство незаменимо в стоматологии. Полость рта пациента сканируют, данные загружают в программу для CAD и создают трёхмерную модель. Затем на принтере печатают изделия для реставрации зубов: металлические коронки, зубные протезы, титановые имплантаты.

Биопринтинг зубов выполняет ту же задачу, но другими методами. Чтобы создать биочернила, специалисты по тканевой инженерии в стоматологии используют:

В качестве гидрогелей для биопринтинга используют коллаген, альгинат или фибрин. Если нужно напечатать твёрдые ткани, например альвеолярную кость, добавляют гидроксиапатит, фосфат кальция и силикат кальция, а также углеродные нанотрубки.

Проведены исследования, в ходе которых с помощью напечатанных тканей восстановили форму зуба, закрыли дефект в верхней и нижней челюсти, ускорили регенерацию мягких и твёрдых тканей.

3D-печать органов для операций по пересадке — технология, которая по мере развития создаёт всё новые вызовы в медицине:

В России технологии и материалы для биопринтинга создаёт лаборатория 3D Bioprinting Solutions, основанная компанией invitro. Отечественные принтеры Fabion и Fabion 2, разработанные лабораторией, поддерживают печать с помощью тканевых сфероидов и гидрогелей на основе коллагена, альгината и желатина.

Несмотря на небольшое количество крупных игроков, интерес к биопринтингу в России растёт. У 3D-печати есть немалый потенциал: напечатанные органы могут решить проблему недостатка доноров, улучшив жизнь пациентов с тяжёлыми заболеваниями. Однако исследователи указывают на камень преткновения на пути к трансплантации будущего — сложность сертификации технологии при недостаточном субсидировании отрасли.

В инновационном центре «Сколково» обсуждают, как продукт может покинуть лабораторию и оказаться на рынке. Российские специалисты обозначают основные «рельсы»: стандартизация процесса, привлечение инвесторов и постоянный обмен идеями между участниками сообщества.