25.05.2016 Обновлено: 17.04.2020 4176

3D-принтер: можно ли распечатать сердце?

Эксперт

Голубев Михаил Аркадьевич

Нам выпало жить в интереснейшее время. Идеи, казавшиеся фантастикой, воплощаются на наших глазах. Одним из таких чудес, стремительно переходящих из разряда супертехнологий на бытовой уровень, является трехмерная печать (3D-печать). И если идея «распечатки» банального кирпича, деталей для пистолета или даже целого дома уже не кажется чем-то из ряда вон выходящим, то возможность напечатать настоящий живой человеческий орган потрясает воображение. MedAboutMe предлагает своим читателям вместе восхититься достижениями человечества в данной области.

3D-принтер и биопринтинг

3D-принтер и биопринтинг

3D-печать (аддитивное производство) – это процесс создания трехмерных объектов на основе цифровой модели, полученной путем 3D-сканирования.

Сообщения о первых трехмерных принтерах появились в конце 1970-х-1980-х годах. Огромные и громоздкие сооружения стоили очень дорого и мало что позволяли создать. Но в 1986 году американец Чарльз Халл запатентовал метод стереолитографии – послойного нанесения фотополимерного материала с целью получения твердых трехмерных физических объектов. Он же продемонстрировал и первый в мире аппарат для 3D-печати на базе ультрафиолетового лазера. При УФ-облучении жидкий фотополимер застывал, позволяя слой за слоем формировать контуры модели. А в 1993 году американские студенты Джим Бредт и Тим Андерсон модифицировали обычный струйный принтер так, чтобы он «печатал» объемные изображения. Струйная печать и легла в основу современного 3D-принтинга.

За прошедшие 30 лет многое изменилось. Сегодня существует добрый десяток технологий 3D-печати. Но принцип послойного нанесения материала пока остается неизменным. А это приводит к определенным ограничениям.
Для обычной печати используются самые разные полимеры. И процесс «распечатки» носит название 3D-принтинг. А для биопечати ученые используют живые клетки – и процесс называется 3D-биопринтинг.

И тут вступают в действие ограничения послойного создания трехмерного объекта. Толщина сплошного живого слоя, распечатанного на 3D-принтере, не может превышать 200 мкм – это 0,2 мм. Без снабжения питанием клетки быстро гибнут. Эту проблему ученые частично смогли обойти, наслаивая ткань на каркас – сначала из сахарных трубочек, потом из полимерного биогеля. Впоследствии каркас растворяется, а на его место – при пересадке в живой организм – должны будут прорастать кровеносные сосуды.

Еще один важный момент: при биопринтинге в качестве материала используются либо клетки конкретных тканей (например, гепатоциты), либо стволовые клетки, которые в зависимости от условий, в которые их поместили, могут трансформироваться в самые разные ткани. А если использовать клетки самого пациента, то можно обойти самую сложную проблему трансплантологии – отторжение чужеродных тканей иммунной системой человека-реципиента, то есть того, кому в организм помещается имплант. И в этом случае пациентам не придется принимать большие объемы лекарств, подавляющих иммунную систему и дающих массу побочных эффектов.

3D-принтер в медицине

3D-принтер в медицине

Биопринтер позволяет решать задачи медиков на разных уровнях. Например, печатать таблетки, меняя их пористость или форму для замедления или ускорения усвоения препарата. 

Врачи используют 3D-принтинг для визуализации объекта, на котором планируется сложная хирургическая операция. Современные методы сканирования позволяют хирургу иметь под рукой материализованную модель, на которой он может убедиться в правильности своих решений.

3D-принтинг – метод получения идеальных протезов, не требующих дополнительной подгонки под своего хозяина. Более того, настройки 3D-принтера позволяют делать материал протезов неоднородным и усиливать его в заданных местах.

С помощью 3D-принтера можно напечатать собственно объект, который потом будет внедрен в тело пациента. Прежде всего, это кости и их отдельные фрагменты. В стоматологии 3D-печать используется с 1993 года – для создания челюстей и их отдельных деталей. В Китае были отпечатаны и успешно имплантированы подвздошная кость таза, лопатка и ключица, а также позвонок. Американская компания Oxford Performance Materials в 2013 году отчиталась о проведенной замене имплантом значительного куска черепа (75% от общего объема). Объект был собран из 23 частей, отпечатанных на 3D-принтере по результатам сканирования с учетом всех индивидуальных характеристик черепа пациента и специфики повреждений.

Технология развивается на глазах. Ранее для протезов использовали титановый порошок (титан – самый инертный металл в медицине и дает минимальный риск отторжения). Однако сейчас на подходе новые материалы. На протезах, которые будут внедряться в тело пациента, в материале специально оставляют микрополости, которые после операции заселяются собственными костными клетками пациента. Это уменьшает риск отторжения тканей и ускоряет процессы заживления. Компании Lima и Adler используют данную технологию для имплантов тазобедренных суставов.

От тканей к органам

От тканей к органам

Целое направление 3D-биопринтинга – это печать каркасных конструкций, которые в лабораторных условиях покрываются слоем стволовых клеток пациента и только после этого пересаживаются ему. Американцы сообщили уже о сотне операций имплантации межпозвоночных дисков, отпечатанных на принтере и увешанных стволовыми клетками пациента. Разработаны методики по аналогичным операциям «пересадки» щитовидной железы и др.

3D-биопринтинг позволяет создавать объекты из живых тканей, внедряя в них дополнительные небиологические компоненты. Например, в ходе экспериментов удалось получить бионическое ухо из живых клеток со встроенной в него индуктивной антенной. Пока это лишь опытный образец, но от него не так уж далеко до практики.

Наконец, самый интересный и животрепещущий момент: биопечать органов. Почему можно напечатать целый дом, но так сложно получить работающую печень, почку или сердце?

Орган – это не просто однородный слой ткани, а сложная систе