Биопечать сегодня и в будущем

8 Сентября 2014
6220
2

Все больше и больше трехмерная печать расширяет спектр материалов, которыми печатают 3D-принтеры, а также вещей, которые они могут напечатать. Хотя одной этой тенденции уже достаточно, чтобы в скором будущем произвести еще одну индустриальную революцию, гораздо больше поражает воображение технология биопечати, которая начала развиваться относительно недавно. Биопринтеры - 3D-принтеры, которые печатают живую и функциональную ткань или даже целые органы. Как и другие 3D-принтеры, они работают, укладывая материал сой за слоем, только вот в качестве материала выступают живые клетки.

Большинство биопринтеров кроме самих клеток печатают гелеобразной основой, призванной защищать и поддерживать клетки во время печати, позволяя им сохранять пространственную структуру. На рисунке снизу изображена одна из возможных концепций будущих биопринтеров. Машина на рисунке заканчивает печатать человеческое сердце, и вскоре оно будет готово к трансплантации.

Пионеры биопечати

Хотя технология биопечати все еще находится в состоянии активной разработки, уже существуют работающие биопринтеры. В 2002 году профессор Макотто Накамура осознал, что размер чернильных капелек, которые распыляет обычный чернильный принтер, примерно равен размеру человеческих клеток. Он решил продублировать эту технологию, и создать похожее устройство, которое бы печатало живыми клетками вместо чернил. К 2008 году он создал рабочий биопринтер, который был способен печатать из клеток трубочки, аналогичные кровеносным сосудам. В следующем ролике Вы можете увидеть работу этого принтера реальном времени. Профессор надеется, что со временем он сможет печатать целые органы для пересадки.

Organovo

Еще один пионер в области биопечати - компания Organovo. Она была основана группой исследователей во главе с профессором по имени Габор Форгач. В 2008 году им удалось распечатать функциональные кровеносные сосуды и сердечную ткань из куриных клеток. В то время они использовали прототип биопринтера с тремя печатными головками. Две из них печатали клетками, а третья - коллагеном, призванным служить основой и поддержкой живым клеткам. Если проводить параллель с чернильными принтерами, эта основа играет роль бумаги, потому ее часто называют биобумагой.

Начиная с 2008 года, Organovo работала в сотрудничестве с компанией Inventech с целью создать коммерческий биопринтер под названием NomoGen MMX. Он печатает сферическими каплями так называемых биочернил - раствора с живыми клетками. Каждая капля содержит в себе десятки тысяч клеток. Вначале NovoGen укладывает слой биобумаги на водной основе, а затем в неё вводятся капли биочернил. Как показано на следующем рисунке, поверх первого слоя укладываются другие. Однако, казалось бы, как же это может работать? Что толку от того, что мы разместим в трехмерном пространстве капли раствора живых клеток? Что дальше? Вся магия этой технологии кроется в том, что дальше за дело берется природа. Постепенно, капельки объединяются в одно целое, а затем клетки начинают выстраиваться, следуя заложенным в них генетическим программам, создавая функциональную живую ткань в конфигурации, заданной принтером. Наконец, растворимая основа удаляется, и мы получаем напечатанный орган или кусок ткани.

Исследователи из Органово показали, что используя их технологию и печатая не отдельными клетками, но их раствором - биочернилами - совсем не обязательно печатать орган с точностью до клеток: как только капли с раствором клеток помещены приблизительно каждая на свое место, природа берет дело в свои руки, и доводит его до конца. В этом не осталось никаких сомнений после того, как было продемонстрировано, что клетки, содержащиеся в капельках с раствором, способны перегруппировываться после печати. Например, в экспериментах с печатью кровеносных сосудов, сферические капли содержали раствор из эндотелиальных клеток, клеток гладкой мускулатуры и фибробластов. После того, как биопринтер разместил капельки по своим местам, безо всякого вмешательства извне, клетки эндотелия мигрировали ко внутренней части напечатанного кровеносного сосуда, клетки гладкой мускулатуры скопились в среднем шаре, а фибробласты сформировали внешний слой сосуда.

В более сложных случаях, тоненькие капилляры и другие структуры также формируются сами собой после печати. Это напоминает волшебство. Однако, как объясняет профессор Форгач, тут срабатывают те же самые механизмы, благодаря которым клетки эмбриона "знают" как образовывать чрезвычайно сложные по своей структуре органы. Природа развивала эту способность клеток на протяжении миллионов лет. Как только раствор с клетками помещен приблизительно на свое место, сами клетки каким-то образом знают что делать дальше.

В декабре 2010 года, Органово напечатала первый кровеносный сосуд, состоящий из клеток, полученных путем размножения клеток, забранных из единственного донора. Также компания успешно провела эксперимент по вживлению крысам напечатанных на биопринтерах нервных имплантантов, и надеется перейти к испытаниям на людях к 2015 году.

Первым коммерческим применением для биопринтеров, однако, будет не печать органов на пересадку, а печать маленьких кусков живой ткани для токсикологических анализов. Это позволит фармацевтам находить и исследовать кандидаты на новые лекарственные препараты на напечатанных на биопринтере моделях печени и других органов, что сильно повысит эффективность и безопасность процесса поиска новых лекарств и уменьшит нужду в тестах на животных.

Со временем, когда испытания на людях будут успешно пройдены, Органово надеется, что их биопринтеры будут печатать секции сердечных кровеносных сосудов для пересадки в сердце больного, что в некоторых случаях позволит избежать необходимости пересадки. Затем они планируют двигаться дальше, расширяя спектр органов, которые можно будет печатать для пересадки в человеческий организм. Сейчас ученые работают над маленькими механическчими устройствами, которые бы могли искусственно вызывать сокращения напечатанных мышц, таким образом тренируя их, подготавливая орган к пересадке в тело пациента.

Специалисты в Органово считают, что первым органом, для которого удастся освоить практику печати с последующей пересадкой, будет почка. Дело в том, что с точки зрения ее функции, почка - одна из наиболее простых частей человеческого тела.

Статья подготовлена для 3DToday.ru

Понравилось? Хотите больше? Все самое интересное в еженедельной рассылке. Присоединяйтесь!
Отборные новости, конкурсы и обсуждения в официальной группе 3DToday.
8 Сентября 2014
6220
2

Написать комментарий

Последние распечатанные 3D модели

Новые 3D-модели

Снежинка с текстом 3D
elektronchik
Снежинка с текстом 3D
имбирный чел
dengalant
имбирный чел
кронштейны для установки вентилятора над платой ZRIB V2.2
eduardo
кронштейны для установки вентиля...кронштейны для установки вентилятора над платой ZRIB V2.2
Смайлик- снежинка
elektronchik
Смайлик- снежинка