Что такое биопечать?

В прессе был большой интерес к концепции использования 3D-печати для создания живых тканей, особенно трансплантируемых органов. Но как на самом деле работает эта новая технология, называемая «биопечать»?

Проще говоря, биопечать - это практика использования технологии 3D-печати для создания структур органических клеток, а не пластиковых или металлических деталей. Это позволяет печатать функциональные ткани, которые затем можно использовать в медицинских исследованиях или для трансплантации. В долгосрочной перспективе, по мере развития технологии, ее действительно можно будет использовать для печати функциональных органов на основе собственных клеток пациента, чтобы потенциально исключить риск отторжения органа.

Как и «обычная» 3D-печать, биопечать работает путем создания структуры слой за слоем на печатной платформе. Однако, поскольку этот процесс включает в себя работу с живыми тканями, а не с металлами и пластмассами, он принципиально отличается во многих отношениях. Давайте посмотрим на это подробнее…

Как это работает?

Все проекты биопечати начинаются с 3D-модели детали, которую необходимо создать. Это можно сделать с помощью компьютерной томографии или магнитно-резонансной томографии реальной части тела или создать с нуля с помощью 3D-моделирования. Затем модель необходимо преобразовать в форму, которая может быть успешно подвергнута биопечати, а это означает, что необходимо установить архитектуру ткани. Поэтому соответствующие клетки выделяются и захватываются (по возможности, из исходной ткани) в специальном растворе, который будет поддерживать их жизнь и насыщение кислородом, готовые к печати. Эти решения для печати известны как «биочернила». Поскольку регенерация тканей требует использования «каркасов» (физических опор, необходимых для роста клеток), для проекта биопечати обычно требуется несколько таких чернил, что делает необходимость в принтерах с несколькими материалами. Эти подмости можно рассматривать как аналог опорных конструкций традиционной 3D-печати. ​​

Для преобразования этих биочувствительных элементов в живые ткани можно использовать ряд различных технологий. Самые ранние методы биопечати использовали струйный подход (подробнее об этом позже), но стереолитография и принтеры на основе экструзии также успешно применялись. Независимо от используемой технологии, процесс печати должен быть знаком любому профессионалу AM:принтер создает слои выбранного материала (материалов) на печатной платформе до тех пор, пока вся 3D-модель не будет воплощена в жизнь.

Наконец, после завершения печати требуется некоторая постобработка для сохранения целостности ткани, поскольку вновь напечатанные ячейки не будут подключены сразу, как это было бы с напечатанным пластиком или металлом. Обычно это включает в себя механическое или химическое моделирование, которое запускает ремоделирование и рост ткани. Более сложный пример этого включает использование «биореакторов» для стимулирования роста и васкуляризации (т. Е. Развития кровеносных сосудов) ткани.

Следующее видео дает хороший обзор процесса биопечати:

Пионеры и лидеры отрасли биопечати

3D-принтеры, предназначенные для печати на тканях таким образом, обычно называют «биопринтерами». Первый рабочий биопринтер был представлен профессором Макото Накамура из Университета Тоямы, который продемонстрировал его возможности, напечатав биологическую трубку, похожую на кровеносный сосуд. Как упоминалось выше, здесь использовался подход к струйной печати (фактически, первый прототип был основан на модифицированном принтере Epson!). С тех пор профессор Накамура продолжил свои исследования потенциальных применений биопечати. ​​

Organovo - еще один лидер в области биопечати. ​​Вместе со своей партнерской компанией Invetech они создали жизнеспособный коммерческий биопринтер:NovoGen MMX. Подход Organovo к печати тканей включает специально разработанный принтер с несколькими головками, с отдельными печатающими головками для сердечных клеток, эндотелиальных клеток и коллагеновую «биобумагу», которая действует как каркас.

Эта технология также привлекла внимание американских военных, которые инвестировали в исследования того, можно ли использовать биопечать для лечения раненых солдат. Институт регенеративной медицины вооруженных сил (AFIRM) был основан в 2008 году, чтобы возглавить деятельность в этой области, при этом университеты, исследователи и военные ученые работают вместе в рамках соглашения о сотрудничестве.

В Германии Институт Фраунгофера проводит постоянные исследования печати целых органов, как для трансплантации, так и для устранения необходимости тестирования на животных в исследовательских средах. В частности, их исследователи добились значительных успехов в васкуляризации биопечати тканей, тесно сотрудничая с проектом ArtiVasc 3D для создания напечатанных на 3D-принтере кровеносных сосудов, которые будут снабжать ткани питательными веществами так же, как живое тело.

Как и другие технологии 3D-печати, у биопечати уже есть собственные специалисты по материалам, которые сосредоточены на разработке сложных биочерок. Шведская компания Cellink, например, быстро зарекомендовала себя в качестве лидера отрасли в этом отношении, предложив широкий спектр биочувствительных элементов, созданных самостоятельно, а также технологии, необходимые для их использования.

Что дальше?

Хотя потенциальные преимущества биопечати, безусловно, захватили воображение публики, как и в случае с любой новой технологией, потребуется время, чтобы созреть и утвердиться. Мы ожидаем, что биопечать пойдет по тому же пути, что и зарождающаяся индустрия аддитивного производства. Поскольку технология все больше и больше используется в «реальных условиях», первые успехи помогут ей занять идеальные ниши. На этом этапе акцент сместится на создание процессов и дополнительных инструментов, которые позволят оптимизировать его производительность.

В этот момент ученые, врачи и пациенты (наряду с другими отраслями промышленности, где биопечать еще предстоит раскрыть свои потенциальные возможности) начнут видеть все преимущества технологии. Путь туда, безусловно, будет долгим и сложным, но мы ожидаем огромных преимуществ.