3D-печать

«Сердце можно лечить только сердцем» - В.Н.Виноградов

Как много сейчас говорят о 3D печати органов, сплетен и слухов множество, давайте разберемся, что, правда, а что фантазии, которые возможно в будущем станут реальностью.

Для начала разберемся, что такое 3D принтер и с чем же его едят, какова значимость этого изобретения. «3D-принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели»- Wikipedia, но как учат нас преподаватели, чем проще, тем лучше. Если коротко — это построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D модели. После чего цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL-файла (формат файла, используемый для хранения трёхмерных моделей объектов), после чего 3D принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие.

Сам процесс печати – это ряд повторяющихся циклов, связанных с созданием трёхмерных моделей, нанесением на рабочий стол (элеватор) принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов. Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.

Метод 3D-печати был впервые описан в 1986 году Чарльзом В. Халлом. По его методу, названному «стереолитографией», тонкие слои материала, затвердевая под действием ультрафиолетовых лучей, последовательно формируют слои твердой трехмерной структуры. Позднее этот метод стал использоваться для создания композитных форм для культивирования клеток на трехмерных подложках-носителях, так называемых «скаффлодов», из биологических материалов.

Преимущества 3D печати перед привычными, ручными способами построения моделей — высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость.

Первоначально технологии 3D печати были разработаны для небиологического применения, такого как осаждение металлов, керамики и термопластичных полимеров, и обычно включали использование органических растворителей, высоких температур или связывающих агентов, которые не совместимы с живыми клетками и биологическими материалами. Однако, трехмерная (3D) печать пробивает дорогу ключевым инновациям во многих сферах, таких как инженерное дело, промышленность, искусство, образование и медицина. Последние достижения науки позволили осуществлять 3D-печать биосовместимых материалов, клеток и их вспомогательных компонентов с дальнейшим созданием на их основе полнофункциональных живых тканей. 3D-биопечать можно использовать в регенеративной медицине для трансплантации необходимых тканей и органов. Метод 3D-биопечати уже используется для выращивания и трансплантации некоторых тканей, в числе которых многослойный эпителий, кость, сосудистые трансплантаты, трахеальные шины, ткани сердца и хрящевые структуры. Другие области применения трехмерной биопечати включают моделирование тканей с высокими фармакодинамическими показателями в исследовательских целях, а также для разработки новых лекарств и токсикологического анализа.

Другой родственной сферой применения 3D печати стало производство медицинских приборов, таких как стенты и шины для клинического использования. В 3D-биопечати для формирования трехмерных структур применяется аддитивное наращивание биологических материалов, биохимикатов и живых клеток послойно с контролем размещения функциональных компонентов в пространстве.

Но по мере развития 3D печати в области медицины серьезно встал вопрос о биосовместимости, ведь материал, используемый для печать не только должен взаимодействовать с эндогенными факторами организма, но так же должен взаимодействовать с другими тканями, и не в коем случае не вызывать иммунной реакции, поддерживать на постоянном уровне все сигнальные системы.

Выбор клеток для 3D-биопечати тканей или органов — важнейшее условие их правильного функционирования в созданном материале. В организме ткани и органы состоят из многочисленных типов клеток с особыми и необходимыми биологическими свойствами, что должны быть воспроизведены и в трансплантируемой ткани. К тому же, кроме основного функционирующего типа клеток, каждая ткань содержит клетки, обеспечивающие опорную, структурную и барьерную функции, которые необходимы для васкуляризации или создают оптимальную микросреду для дифференциации стволовых клеток. Вариантов для биопечати клеток всего два: изначальное внесение шаблонных клеток разных типов как основы будущей ткани или печать стволовых клеток с их дальнейшей пролиферацией и дифференциацией в нужные клеточные типы. Клетки, выбранные для биопечати, должны максимально воспроизводить естественное физиологическое состояние клеток in vivo и сохранять свои свойства в оптимальных условиях.

Любые клетки, что выбираются для биопечати, должны обладать свойством увеличиваться в достаточном количестве. Тщательный контроль клеточной пролиферации in vitro и in vivo крайне важен для биопечати. Слишком низкий уровень пролиферации может стать причиной потери жизнеспособности трансплантируемого материала, в то время как излишняя пролиферация повлечет за собой гиперплазию или апоптоз.

Необходимым также является контроль над клеточной пролиферацией в трансплантированной модели с целью достичь физиологических соотношений функционирующих и выполняющих дополнительные функции клеток. Вдобавок большую роль играет время клеточного деления и методы управления им. Вначале высокий уровень клеточной пролиферации будет желаемым, ведь это необходимо для заполнения созданной модели. Но со временем уровень клеточного деления должен удерживаться на уровне, необходимом для обеспечения клеточного гомеостаза и избежания гиперплазии. Эта проблема уже решается учеными.

Сфера биопечати также сталкивается с трудностями, общими для всех, кто работает с вопросами тканевой инженерии и регенеративной медицины. Например, с важностью обеспечения необходимой васкуляризации созданной модели для длительной жизнеспособности конструкции. Некоторые исследования продемонстрировали возможность создания разветвленного сосудистого дерева для биопечатных конструкций органов. В чем же сложность? Во-первых, в совместимости процесса с материалами, клетками и другими компонентами печатной системы. К тому же, время, необходимое для роста и созревания перфузируемой васкулярной сети через всю тканевую конструкцию может быть более продолжительным, чем, собственно, период жизнеспособности самих клеток. Биореакторы могут обеспечить поддержание жизнеспособности тканевых конструкций и «купить» время, необходимое для постпечатной интеграции тканей, их ремоделирования и созревания. Использование биореактора может комбинироваться с факторами, что способствуют васкуляризации и иннервации, поддержанию и сохранению клеточной жизнеспособности. К тому же, биореакторы необходимы для поддержания параметров микросреды: температуры, рН, концентрации питательных веществ и газов, регуляции специфических механических стимулов. Эти параметры требуют разработки для каждого типа ткани, и должны учитывать цель создания ее биопечатной модели.

В заключение, хочется отметить, что биопечать хоть и развивается быстрыми темпами, но все же внедрение этого метода в медицину ставится под вопрос, ведь столько всего надо учесть. Организм человека-это особое произведение природы, влезать в его составляющие, а тем более заменять их на искусственные, мы изменяем весь метаболизм, поэтому, пока ученые не придут к окончательному выводу, о возможно печати и использовании органов, мы будем учиться спасать жизни своими силами.

В статье использовалась информация

#медицина #технологии #3Dпечать #печатьорганов