Что такое 3D‑биопринтинг | Материалы, используемые в биопечати | Применение в здравоохранении | Проблемы и этические аспекты | Последние достижения 3D‑биопечати | Итоги: кратко
Биопринтинг – передовая технология, которая предполагает послойное нанесение живых клеток, биочернил и биоматериалов для создания сложных трехмерных структур. Стремительно развиваясь, биопечать открывает огромный потенциал для различных областей здравоохранения, регенеративной медицины и тканевой инженерии.
Технология берет свое начало в 80‑е годы XX века, когда впервые была представлена концепция аддитивного производства. Первые эксперименты включали в себя печать простых структур с помощью гелей с наполнителем из клеток. Позднее биопринтинг стал использоваться для создания тканей и органов. Исследователи начали работать над печатью функциональных тканей – кровеносных сосудов, кожи и даже небольших органов. Эти разработки имеют захватывающие перспективы для трансплантации органов и регенеративной медицины.
Биопринтинг способен произвести революцию в медицине и здравоохранении, улучшив индивидуальное лечение пациентов, уменьшив потребность в пересадке органов и углубив наше понимание биологии человека. В последние годы произошел прорыв в сфере биопечати целых органов, таких как сердце, печень и почки. Хотя эти достижения пока еще носят экспериментальный характер, они дают надежду на решение проблемы глобальной нехватки донорских органов.
Одновременно, по мере развития технологии, необходимо решать сопутствующие этические, юридические и нормативные вопросы, чтобы максимально увеличить ее положительное влияние на общество.
Напечатаем промышленный прототип, выжигаемую мастер-модель или анатомическую модель из фотополимера за 1‑2 дня! Обращайтесь прямо сейчас:
Что такое 3D‑биопринтинг
Это инновационная технология, сочетающая методы 3D‑печати с биологическими материалами, такими как живые клетки и биосовместимые биочернила, для создания сложных, функциональных и персонализированных биологических структур, тканей и даже органов. Этот передовой подход находится на пересечении биотехнологий, регенеративной медицины и 3D‑печати и открывает широкие перспективы для различных применений в здравоохранении и биомедицинских исследованиях.
Ключевые понятия
Биочернила
Специализированные материалы, служащие в качестве «чернил» при биопечати. Могут состоять из живых клеток, биоматериалов, факторов роста и других биологических компонентов. Они тщательно разрабатываются, чтобы обеспечить подходящую среду для роста клеток, их жизнеспособности и развития тканей.
Аддитивные технологии
3D‑биопринтеры оснащены специализированными печатающими головками и соплами, предназначенными для нанесения биочернил контролируемым и точным образом. Стандартные аддитивные технологии включают биопринтинг на основе экструзии, струйной печати и стереолитографии.
Послойное нанесение
Подобно традиционной 3D‑печати, биопринтинг создает структуры слой за слоем. Биочернила наносятся послойно, а в случае с живыми тканями клетки располагаются таким образом, чтобы имитировать их естественную организацию.
Создание сложных тканей и органов
3D‑биопринтинг позволяет создавать сложные ткани, такие как кровеносные сосуды, кожа и хрящи, а также функциональные органы – например сердце, печень и почки. Эти структуры могут быть разработаны по индивидуальным заказам в соответствии с потребностями и анатомией пациента.
Биологическая значимость
Одним из главных преимуществ 3D‑биопечати является то, что она может в точности повторять микроархитектуру и состав природных тканей, что делает ее бесценным инструментом для регенеративной медицины, тестирования лекарств и моделирования заболеваний.
Материалы, используемые в биопечати
В биопринтинге применяются различные материалы для создания биочернил и поддерживающих структур, необходимых для изготовления сложных биологических тканей и органов. Эти материалы обеспечивают условия для роста клеток, их организации и развития тканей.
Вот некоторые из основных материалов, используемых в 3D‑биопринтерах.
I. Клетки:
-
эмбриональные клетки;
-
стволовые клетки;
-
клеточные линии.
II. Биоматериалы:
-
гидрогели;
-
компоненты внеклеточного матрикса, такие как коллаген, фибрин и ламинин;
-
биоразлагаемые синтетические полимеры типа PLA, PGA и PCL;
-
тканевые бесклеточные матриксы;
-
факторы роста и цитокины;
-
перекрестносшивающие агенты;
-
питательные вещества и кислород для напечатанных тканей;
-
биосовместимые чернила.
Выбор материалов зависит от конкретного применения и типа создаваемой ткани или органа. Исследователи и специалисты по биопечати продолжают изучать и разрабатывать новые материалы для повышения точности, биосовместимости и функциональности создаваемых с помощью 3D‑биопечати структур. Цель состоит в том, чтобы печатать ткани и органы, в точности имитирующие свойства естественных биологических структур, для решения широкого спектра биомедицинских и клинических задач.
Применение в здравоохранении
3D‑биопринтинг находит широкое применение в здравоохранении, производя революционные сдвиги в привычных подходах к медицине. Посмотрим, какие инновационные решения возможны в основных сферах здравоохранения.
Тканевая инженерия и регенеративная медицина
Трансплантация органов. 3D‑биопринтинг должен привести к коренным изменениям в этом направлении. Исследователи усердно трудятся над созданием полностью функциональных органов (почек, печени, сердца), специально разработанных для отдельных пациентов. Это позволит резко снизить потребность в донорских органах, уменьшить вероятность их отторжения и повысить доступность жизненно важных методов лечения для выживания.
Замена и восстановление тканей. С помощью биопринтера можно создавать ткани и структуры, пригодные для пересадки или имплантации, включая кожные, костные и хрящевые трансплантаты. Такие решения особенно полезны для пациентов с повреждениями, травмами или аномалиями тканей.
Заживление ран и заменители кожи. 3D‑биопринтинг позволяет создавать искусственную кожу и ранозаживляющие конструкции, которые могут помочь в лечении пациентов с ожогами, хроническими ранами и нуждающихся в пересадке кожи.
Сосудистая ткань и кровеносные сосуды. Биопечатные кровеносные сосуды и сосудистые ткани дают возможность лечить сердечно-сосудистые заболевания и улучшать результаты операций и вмешательств, например аорто-коронарного шунтирования.
Стоматология и черепно-лицевая хирургия. С помощью биопечати изготавливаются зубные имплантаты, искусственные зубы и индивидуальные черепно-лицевые имплантаты. Это помогает пациентам, которым требуется реконструкция зубов или лица.
Ортопедические приспособления. Биопринтинг используется в ортопедии для создания костных трансплантатов и индивидуальных имплантатов для замены суставов. Такие изделия могут быть подобраны в точном соответствии с анатомией пациента.
Офтальмология. Исследователи ведут работу над биопечатью роговичной ткани и структур для пересадки роговицы, что потенциально может восстановить зрение у людей с заболеваниями роговицы.
Нейронные ткани и восстановление нервной системы. 3D‑биопринтеры применяются для создания конструкций из нервной ткани, таких как нервные проводники и нейронные скаффолды. Они могут помочь в регенерации нервов и лечении травм спинного мозга и нейродегенеративных заболеваний.
Испытания лекарственных препаратов и моделирование заболеваний. Напечатанные на 3D‑принтере модели тканей (печени, сердца и легких) используются для тестирования лекарств, проверки токсичности и моделирования заболеваний. Они обеспечивают более точную имитацию биологии человека, снижая потребность в испытаниях на животных и потенциально ускоряя разработку лекарств.
Индивидуальная медицина. Биопринтинг позволяет создавать ткани и органы для конкретного пациента. Такая персонализация может повысить успешность трансплантации, минимизировать риск иммунного отторжения и улучшить результаты лечения.
Исследования и образование. Биопечатные ткани – ценный инструмент для научных исследований, медицинского обучения и образования. Исследователи и студенты могут изучать биологию человека, механизмы заболеваний и хирургические методы в контролируемой обстановке и с учетом этических требований.
Косметическая и эстетическая медицина. Биопринтинг также используется для восстановительных и оздоровительных процедур в косметологии.
3D‑биопечать продолжает развиваться: ведутся исследования и разработки, направленные на повышение качества, масштабируемости и клинического применения напечатанных тканей и органов. Несмотря на сохраняющиеся проблемы, технология имеет многообещающий потенциал для тканевой инженерии и регенеративной медицины.
Индивидуальные имплантаты и протезы
На стыке биопринтинга и стандартных аддитивных технологий находится создание высокоточных имплантатов и протезов, обеспечивающих персонализированные решения для людей с особыми медицинскими или анатомическими потребностями. К ним относятся ортопедические, зубные, челюстно-лицевые, черепно-лицевые, ушные, глазные, кохлеарные, спинальные, грудные имплантаты, протезы и другие приспособления. Эти изделия могут повысить функциональность, комфорт и качество жизни пациентов в различных сценариях лечения.
Технологии 3D-печати в сочетании с передовыми методами визуализации, такими как КТ и МРТ, дает медицинским работникам возможность изготавливать имплантаты и протезы с учетом уникальных анатомических особенностей каждого пациента. Результаты подобной персонализации – лучшая совместимость, улучшение функциональности, повышение удовлетворенности пациентов и качества жизни тех, кто нуждается в этих медицинских изделиях.
Проблемы и этические аспекты
Несмотря на революционные достижения, технология сталкивается с рядом проблем и этических соображений, которые необходимо учитывать. С 3D-биопринтингом связаны такие проблемы, как биосовместимость, васкуляризация (новообразование кровеносных сосудов), жизнеспособность клеток, долгосрочная функциональность, масштабируемость, одобрение регулирующих органов, юридические вопросы, а также ограничения в плане ресурсов и стоимости.
В круг этических аспектов входят: информированное согласие, равенство и доступ к печатаемым органам и тканям, конфиденциальность пациентов, человеческое достоинство, подотчетность и прозрачность в процессе биопечати, воздействие на окружающую среду, культурные и религиозные аспекты, непредвиденные последствия.
Решение этих вопросов требует постоянного сотрудничества между учеными, клиницистами, специалистами по этике, политиками и общественностью. Создание четких руководящих принципов, правил и этических рамок должно привести к тому, чтобы 3D‑биопринтинг приносил пользу обществу, сводя к минимуму потенциальные риски и этические дилеммы.
Последние достижения 3D‑биопечати
Печать кожи. Исследователи из Политехнического института Ренсселера в Нью‑Йорке разработали способ 3D‑печати живой кожи, снабженной кровеносными сосудами. Это значительный шаг вперед в создании трансплантатов, которые больше похожи на кожу, образуемую нашим организмом естественным путем.
3D-печать роговиц. Ученые из Университета Ньюкасла (Великобритания) создали первые в мире напечатанные человеческие роговицы, которые могут решить проблему нехватки доноров глаз и помочь миллионам людей вернуть зрение.
Биочернила. Исследователи постоянно разрабатывают новые типы материалов, используемых в 3D‑биопечати. Так, команда Университета Юты создала новый вид биочернил, который позволяет печатать более сложные и разнообразные типы тканей.
3D‑печатные органы. В Тель‑авивском университете (Израиль) напечатали на 3D‑принтере маленькое васкуляризированное сердце, используя клетки и биологические материалы пациента. Впервые удалось успешно спроектировать и напечатать целое сердце с клетками, кровеносными сосудами, желудочками и камерами.
Онкологические исследования. Исследователи из Лондонского университета королевы Марии успешно напечатали структуры человеческого мозга для изучения рака. Это позволит лучше исследовать и понять рак мозга и может привести к созданию более эффективных методов лечения.
Печать клеток с высоким разрешением. Сотрудники Штутгартского университета (Германия) разработали процесс биопечати, который обеспечивает создание структур с разрешением 10 мкм, что близко к размеру большинства человеческих клеток. Это позволяет печатать более точные и детализированные структуры.
Подобные прорывы 3D‑биопечати обещают появление захватывающих новых разработок, которые могут привести к значительным улучшениям в лечении и уходе за пациентами.
Итоги: кратко
Инновации в области 3D‑биопринтинга приближают будущее, в котором не будет дефицита органов, а персонализированная медицина станет нормой. Хотя проблемы и этические соображения остаются, потенциал спасения жизней и совершенствования здравоохранения неоспорим. Благодаря непрекращающимся исследованиям и технологическому прогрессу горизонты трехмерной биопечати кажутся безграничными.
Материал предоставлен компанией FlashForge. Также использованы следующие источники: «Научная Россия», misis.ru, New York Times
Фото в заставке © cellink.com
Статья опубликована 25.01.2024 , обновлена 31.01.2024
