Биопринтеры работают почти так же, как и 3D-принтеры, с одним ключевым отличием — они наносят слои биоматериала, который может включать живые клетки, для создания сложных структур, таких как кровеносные сосуды или ткани кожи.
Живые клетки? Где они их берут? Каждая ткань в организме состоит из разных типов клеток. Необходимые клетки (почек, кожи и так далее) берут у пациента и затем культивируют до тех пор, пока их не станет достаточно для создания «био-чернил», которые загружаются в принтер. Это не всегда возможно, поэтому для некоторых тканей берут стволовые клетки, которые способны становиться любой клеткой в теле (организме), или, например, свиной коллагеновый белок, морские водоросли и другие.
На основе компьютерных проектов и моделей, часто сканирований и МРТ, сделанных непосредственно у пациента, головки принтера размещают ячейки именно там, где они необходимы, и в течение нескольких часов органический объект строится из большого количества очень тонких слоев.
Как правило, нужно больше, чем просто клетки, поэтому большинство био-принтеров также поставляют какой-то органический или синтетический «клей» — растворимый гель или коллагеновый каркас, к которому клетки могут прикрепляться и расти. Это помогает им формироваться и стабилизироваться в правильной форме. Удивительно, но некоторые клетки могут принять правильное положение сами по себе без каких-либо «строительных лесов». Как они узнают, куда идти? А как клетки эмбриона развиваются в матке или ткань взрослого человека движется для восстановления повреждений? Так же и здесь.
Университеты, исследователи и частные компании по всему миру вовлечены в развитие технологий биопечати. Давайте посмотрим на некоторые из удивительных вещей, над которыми они работают.
Создание костей.
Ежегодно миллионы людей во всем мире нуждаются в пересадке кости. Современные костные трансплантаты часто используют синтетический материал на основе цемента в сочетании с собственной костью пациента. Однако применение этих материалов имеет ряд ограничений — некоторые трансплантаты вызывали отторжение и воспалительные процессы у пациентов. Воспроизведение естественного «интерфейса» кость-хрящ также было проблематичным.
Тем не менее, команда из Университета Суонси в 2014 году разработала технологию печати, которая позволяет создать искусственный костный протез в точной форме требуемой кости, используя биосовместимый материал, который является одновременно долговечным и регенеративным. Над аналогичными исследованиями в то же время работали и ученые из Ноттингемского университета в Англии.
Чтобы напечатать небольшую кость, требуется около двух часов. Поэтому хирурги могут сделать её прямо в операционной. Затем эта часть кости покрывается стволовыми клетками взрослого человека, способными развиваться практически в любой другой тип клеток. Это сочетается с био-чернилами из принтера — комбинацией полимолочной кислоты (которая обеспечивает механическую прочность кости) и альгината — гелеобразного вещества, которое служит амортизирующим материалом для клеток. Затем конечный продукт имплантируется в организм, где в течение примерно трех месяцев полностью исчезнет и будет заменен новой костью.
Исследователи надеются, что в будущем биопечатаемые кости могут быть созданы с достаточной надежностью, чтобы поддержать сложную реконструкцию позвоночника, и что костный материал будет дополнительно улучшен для повышения его совместимости с клетками хряща.
Хрящи.
Успешные опыты 3D-печати человеческого хряща в скором времени могут полностью заменить искусственные имплантаты людям, нуждающимся в реконструктивной хирургии. Еще в 2015 году ученые в Цюрихе разработали технологию, которая позволит больницам печатать полноразмерный имплантат человеческого носа менее чем за 20 минут. Они считают, что любой хрящевой имплантат может быть изготовлен по их методике.
Исследователь Матти Кести описал технологию так:
«Серьезная автомобильная авария может привести к тому, что водитель или пассажир получат сложные травмы носа. Нос можно восстановить, создав 3D-модель на компьютере. В то же время выполняется биопсия пациента, и клетки хряща удаляются из тела пострадавшего, например, из колена, пальца, уха или осколков разбитого носа. Клетки нерестятся в лаборатории и смешиваются с биополимером. Из этой суспензии с помощью биопринтера создается модель хряща носа, которая имплантируется пациенту во время операции. В процессе биополимер используется просто как форма. Впоследствии он расщепляется собственными хрящевыми клетками организма. И через пару месяцев невозможно будет различить трансплантат и собственный носовой хрящ человека».
Поскольку имплантат был выращен из собственных клеток организма, риск отторжения будет гораздо ниже, чем для имплантата, сделанного, скажем, из силикона. Дополнительное преимущество заключается в том, что биоимплантат растет вместе с пациентом, что особенно важно для детей и молодых людей.
Кожа.
Если человек сильно обожжен, здоровую кожу можно взять из другой части тела и использовать для покрытия пораженного участка. Иногда неповрежденной кожи не хватает.
Исследователи, работающие в Медицинской школе Уэйк Форест, успешно разработали, построили и протестировали принтер, который может печатать клетки кожи непосредственно на месте ожога. Сканер очень точно определяет размер и глубину повреждений. Эта информация передается на принтер, и печатается кожа для покрытия раны. В отличие от традиционных кожных трансплантатов, требуется только участок кожи, размер которого составляет одну десятую от размера ожога, чтобы вырастить достаточное количество клеток для печати. Пока эта технология находится на экспериментальной стадии, и исследователи надеются, что она будет широко доступна в течение следующих пяти лет.
Как уже упоминалось, 3D-принтеры печатают изделия послойно, и поскольку кожа представляет собой многослойный орган с различными типами клеток, она хорошо подходит для данного типа технологий. Тем не менее, исследователям предстоит решить еще много задач, в частности, как предотвратить повреждение клеток от тепла, выделяемого принтером. И конечно же, как и большинство частей человеческого тела, кожа более сложная, чем кажется на первый взгляд — есть нервные окончания, кровеносные сосуды и множество других аспектов, которые необходимо учитывать.
Кровеносные сосуды.
Учитывая, что в теле человека десятки тысяч километров вен, артерий и капилляров, исследователи работают над тем, чтобы заменить их, если они когда-нибудь износятся. Создание жизнеспособных кровеносных сосудов также важно для правильной работы всех других потенциальных биопечатных частей тела.
Инженер-биомеханик Моника Мойя из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса использует биопечать для создания кровеносных сосудов. Материалы, созданные ее биопринтерами, спроектированы таким образом, чтобы позволить маленьким кровеносным сосудам развиваться самостоятельно.
Эта разработка требует времени, поэтому распечатываются пробирки с клетками и другими биоматериалами, чтобы помочь доставить жизненно важные питательные вещества в окружающую печатную среду. Через некоторое время самосборные капилляры соединяются с биопечатными трубками и начинают самостоятельно доставлять питательные вещества в клетки, имитируя работу этих структур в организме человека.
Многие исследователи надеются, что через 20 лет списки пациентов, ожидающих пересадки органов, уйдут в прошлое. Они представляют мир, в котором любой орган может быть напечатан и пересажен всего за несколько часов, без отторжения и осложнений, потому что эти органы будут созданы из клеток тела в соответствии с индивидуальными особенностями каждого пациента. В настоящее время биопечать полностью функциональных сложных внутренних органов невозможна, но исследования постоянно ведутся (и не без успеха).
Мочевой пузырь.
Например, мочевой пузырь уже печатают. В 2013 году в Университете Уэйк Форест в США исследователи успешно взяли клетки из исходного, плохо функционирующего мочевого пузыря пациента, культивировали их и добавили дополнительные питательные вещества. Затем была напечатана трехмерная форма мочевого пузыря пациента и пропитанные через нее культивируемые клетки. Форма была помещена в инкубатор и, когда она достигла нужной кондиции, её пересадили в тело пациента. Форма со временем разрушится, оставив только органический материал. Та же команда успешно создала жизнеспособные уретры.
Почки.
Врачи и ученые Института регенеративной медицины Уэйк Форест (WFIRM) были первыми в мире, кто создал органы и ткани, выращенные в лабораторных условиях, которые были успешно пересажены в человека. Прямо сейчас они работают над выращиванием тканей и органов для более чем 30 различных областей тела, от почек и трахеи до хрящей и легких. Также они стремятся ускорить доступность этих методов лечения для пациентов.
Ученые в Австралии тоже занимаются подобными исследованиями. Они использовали человеческие стволовые клетки для выращивания почечного органа, который содержит все необходимые типы клеток для почек. Такие клетки могут служить ценным исходным источником для биопечати более сложной структурой почек.