3D-печать в здравоохранении сегодня и завтра. Часть 2

3D-печать в медицине - это мощный инструмент для тканевой инженерии. Неважно, идет ли речь о крови, костях, сердце или коже.

Кровеносные сосуды

Ученые из Гарвардского университета первыми использовали 3D-принтер и растворяющиеся чернила для создания образца ткани, содержащего клетки кожи, переплетенные со структурным материалом, который в будущем может функционировать как кровеносные сосуды. Сосудистая сеть позволяет равномерно распределять жидкости, питательные вещества и факторы роста клеток по всей ткани.

В свою очередь корейские инженеры с помощью 3D-печати создали "встраиваемые" кровеносные сосуды и успешно имплантировали их крысе. С помощью этого процесса они надеются разработать функционирующие искусственные кровеносные сосуды, необходимые для лечения сердечно-сосудистых заболеваний.

Кости

Современный золотой стандарт для ремонта кости - это использование для пересадки кости из другой части тела пациента. К сожалению, применение таких трансплантатов связано с высоким риском инфекции и их нельзя использовать, если необходимое количество костного материала слишком велико.

Ученые из университета штата Вашингтон (США) модифицировал 3D-принтер для связывания химических веществ с керамическим порошком, создавая сложные керамические структуры, способствующие росту кости любой формы. Она помогает имплантатам тазобедренного и коленного суставов служить дольше благодаря разработке безвредного для организма покрытия из фосфата кальция для материалов имплантатов. Ожидается, что после интеграции имплантаты с покрытием прослужат дольше - возможно, они удвоят срок службы имплантатов. Тем временем исследователи также начали использовать графен и керамику из морских кораллов для создания костеподобных структур с помощью 3D-печати.

Специалисты университета Нового Южного Уэльса (Австралия) разработали "керамические чернила", которые можно использовать во время 3D-печати при комнатной температуре с использованием живых клеток и без применения жестких химических веществ, что заметно улучшило ситуацию по сравнению с более ранними технологиями. По словам исследователей, новая технология в итоге может быть использована для печати костей непосредственно в теле пациента. Они сделали чернила, которые могут быть напечатаны в водной среде, такой как тело. После двух лет работы они создали биосовместимый материал на основе фосфата кальция, который образует пасту при комнатной температуре. При помещении в желатиновую ванну или другой раствор происходит химическая реакция, и паста затвердевает в пористую нанокристаллическую матрицу, похожую на структуру исходной костной ткани.

"Мы можем войти непосредственно в кость, где есть клетки, кровеносные сосуды и жир, и напечатать костеподобную структуру, которая уже содержит живые клетки, прямо в этой области", - сказал доцент Кристофер Килиан, один из разработчиков технологии, в заявлении университета.

Сердечный клапан

Ученые из Корнельского университета (США) напечатали с помощью 3D-принтера клапан сердца, имеющий ту же анатомическую архитектуру, что и оригинальный орган. Вскоре он будет испытан на овцах. Они использовали комбинацию клеток и биоматериалов для контроля жесткости клапана. Разработчики полагают, что в ближайшие пять лет биопечать получит гораздо большее распространение в сообществе тканевой инженерии и биомедицины, став стандартом в производстве сложных тканей.

Протезирование ушей и носа

В этом же университете использовали 3D-фотографии человеческих ушей для создания ушных форм. Затем формы были заполнены гелем, содержащим бычьи хрящевые клетки, взвешенные в коллагене, который удерживал форму уха, пока клетки выращивали свой внеклеточный матрикс. Таким образом была создана копия человеческого уха.

В свою очередь канадские ученые напечатали синтетические носы для пациентов с раком кожи. Для печати использовались настоящие хрящевые клетки носа человека, пожертвованные людьми, сделавшими пластику носа, с гидрогелем на основе коллагена. Однако для пластики носа требуется хирургическое вмешательство, в то время как китайские ученые начали исследования на мышах, печатая, в частности, ухо непосредственно внутри животного.

Синтетическая кожа

Еще в 2017 году ученые из Медицинской школы Уэйк Форест в США и Мадридского университета разработали прототип 3D-принтера, который может создавать синтетическую кожу. Она пригодна для пересадки пациентам, получившим ожоги или имеющим другие проблемы с кожей. Она также может быть использована в научных исследованиях или при тестировании косметических, химических и фармацевтических продуктов.

Значительным шагом вперед для пересадки кожи и жертв ожогов является разработка живой кожи.   Исследователи из Политехнического института Ренсселаера разработали метод 3D-печати живой кожи вместе с кровеносными сосудами.

Синтетические органы

Первые опыты печати проводились уже относительно давно - печатать синтетические ткани печени попробовали в 2014 году. Тогда казалось, что до печати частей печени для трансплантации осталось 4-6 лет, но пока успешных результатов ученые не достигли.

Хотя компания Organovo совместно с Детским исследовательским институтом Мердока пробовала создавать в лаборатории миниатюрные человеческие почки. А ученые Лундского университета в Швеции разработали новые биологические чернила, которые позволяют печатать с помощью 3D-принтера человеческие дыхательные пути небольшого размера, используя собственные клетки пациента. Напечатанные подобным образом "конструкции" биосовместимы и поддерживают рост новых кровеносных сосудов при пересадке такого материала в тело человека. Это важный первый шаг на пути к созданию с помощью 3D-печати органов человека.

Биопечать была выполнена с помощью "чернил", образованных путем объединения двух материалов: альгината - материала, полученного из морских водорослей, и внеклеточного матрикса, полученного из тканей легких. Затем ученые использовали биочернила для печати небольших дыхательных путей человека, содержащих два типа клеток, обнаруженных в дыхательных путях человека.

Турецкие ученые из университета Мармара напечатали на 3D-принтере искусственную роговицу, подходящую для трансплантации. Для изготовления искусственной роговицы применялся 3D-принтер, использующий мягкий и гибкий полимер на основе хитозана и поливинилового спирта.

Предварительные исследования биостабильности показали, что композитные структуры совместимы со стволовыми клетками человека, стимулируя их дифференциацию в стромальные клетки (клетки-предшественники). Результаты исследования свидетельствуют о большом потенциале для быстрого и индивидуального изготовления роговицы для клинического применения.

Отметим, что напечатанные на 3D-принтере органы также могут быть использованы в фармацевтической промышленности для замены животных моделей при анализе токсичности новых лекарств.

Восстановление ран

Американские исследователи из университета Коннектикута разработали портативный 3D-биопринтер, который может революционизировать способ проведения хирургических операций на опорно-двигательном аппарате. Это устройство позволяет хирургам внедрять клеточные каркасы для поддержки роста клеток и тканей непосредственно в места дефектов в ослабленных скелетных мышцах, т.е. оно впечатывает прямо в раны биосовместимые волокнистые структуры. Структурные волокна из биопринтера точно прилегают к окружающим тканям и имитируют свойства существующих тканей, исключая необходимость накладывать швы.

Эта технология особенно полезна для решения проблемы объемной мышечной потери, для которой в настоящее время нет хороших вариантов лечения.

При таком подходе не требуется никакого зашивания, чтобы имплантировать напечатанный гель, который служит матрицей, внутри которой могут размножаться и расти новые клетки. Гель естественным образом прилипает к раневой ткани и остается на месте. Поскольку подход не требует моделирования и предварительной печати клеточных структур вне раны, он может обеспечить очень быстрое наложение швов и срочное лечение глубоких ран.

3D-печать лекарственных препаратов

Еще в 2015 году американские регулирующие органы одобрили первое в истории лекарство, изготовленное с помощью 3D-принтеров, а в 2021 году одобрение получило второе подобное лекарство. Китайская фармацевтическая компания Triastek получила разрешение на использование в исследовательских целях для своего изготовленного при помощи 3D-печати лекарства T19, предназначенного для лечения ревматоидного артрита. Этот факт открывает целый ряд возможностей вывести цепочку поставок лекарственных препаратов на новый уровень.

3D-печать нескольких лекарств в одной таблетке, известной как полипилюля, также уже стала возможна. В 2020 году компания FabRx выпустила первый фармацевтический 3D-принтер для производства персонализированных лекарств. Принтер "M3DIMAKER" может печатать персонализированные лекарства очень быстро - около 28 таблеток в минуту. Представьте себе, как быстро можно было бы распространять лекарства с помощью 3D-принтера в аптеках!

По материалам 3D-Printing Industry, Medical Futurist, 3DPrint.com, Medgadget.com, Wtop, University of New South Wales, The American Society of Mechanical Engineers.