Как с помощью 3D-принтеров печатают кости, сосуды и органы

Автор оригинала: Kelsey Campbell-Dollaghan
  • Перевод

На заре становления технологии быстрого прототипирования было широко распространено мнение, что 3D печать трансформирует все производство, стимулировав потребительскую революцию, в результате чего принтер появится в каждом доме. Этого пока что не произошло, однако, как это бывало со многими новейшими технологиями, быстрое прототипирование нашло свое применение в совершенно другой области – в медицине.

Статья с сайта Gizmodo.

Ниже речь пойдет об исследованиях и проектах, представляющих собой наиболее интересные примеры применения биопечати и использования машин с компьютерным управлением для сборки биологической материи, в ходе которой используются органические чернила и сверхпрочные термопласты. Диапазон применения биопечати весьма широк – от реконструкции основных отделов человеческого черепа до печати скаффолдов – каркасов, на которых стволовые клетки могут развиться в новые кости. Подробности читайте ниже.

Черепа



Osteofab – продукт компании Oxford Performance Materials. Первоначально OPM вышла на рынок, продавая в сыром виде высокоэффективный полимер, часто используемый при изготовлении медицинских имплантатов – термопластик под названием полиэфиркетонкетон (PEKK), но за последние несколько лет компания стала первой, кто освоил и применение этого материала, в первую очередь в аддитивном производстве. Так, в феврале 2013 года американскому пациенту установили 3D-имплантат части черепа, качество которого было одобрено FDA. К отливке и печати подошли очень тщательно, чтобы соответствовать уникальной геометрии черепа пациента, 75% которого теперь составляет имплант.

Кожа



Главная проблема создания новой кожи при помощи печати заключается в сложности воссоздания определенного оттенка из всего возможного спектра. Учитывая то, что наша кожа уникальна, тонка и подвержена изменениям, создать ее точную копию достаточно сложно. Существует огромное количество интересных исследований на эту тему, суть которых невозможно уложить в короткий рассказ.

Тем не менее, вот две наиболее интересных: ученый Джеймс Йоо из университета Уйэк-Форест за счет средств гранта, финансируемого Министерством обороны США, работает над созданием машины, которая сможет печатать кожу прямо на людях, ставших жертвами ожогов. Другое исследование проводится учеными из Ливерпульского университета, которые используют тщательно откалиброванные 3D-сканеры для получения образцов кожи, содержащих все ее мельчайшие нюансы, что позволит в дальнейшем напечатать более реалистичные имплантаты.

Исследование все еще продолжается, и команда планирует создать «базу образцов кожи» с отсканированными примерами, к которой можно будет подключиться из отдаленных больниц, где не располагают камерами, необходимыми для сканирования кожи конкретного пациента. [Gizmodo; PhysOrg]

Носы и уши



Создание протезов ушей, носов и подбородков часто представляет собой болезненный, дорогой и трудоемкий процесс, как для пациента, так и для самого врача. Британский индустриальный дизайнер Том Фрипп в течение последних 5 лет совместно с учеными из университета Шеффилда, занимался разработкой более дешевого и более простого в изготовлении лицевого протеза, который можно получить при помощи 3D-печати. Процесс создания подобного протеза включает в себя 3D-сканирование лица пациента (что гораздо менее болезненно, чем его отливка), моделирование заменяемой части и ее печать, при которой используются пигмент, крахмал и медицинский силикон.


У таких протезов есть дополнительный бонус: когда он изнашивается (что в конечном счете все равно произойдет), его можно снова напечатать, причем в финансовом плане это обойдется очень дешево. [The Guardian]

Протезы глаз



Фрипп и команда Шеффилдского университета опубликовали результаты тестирования аналогичного процесса изготовления протезов для глаз. Глазные протезы стоят дорого, и так как они расписываются вручную, их изготовление может занимать несколько месяцев. Принтеры компании Fripp Designs за час могут изготовить 150 глазных протезов, причем такие детали, как цвет радужки, размер и количество кровеносных сосудов можно легко изменить в зависимости от нужд пациента. [PhysOrg]

Функциональные импланты




По мере того, как электронные устройства – от дронов до медицинских имплантатов – становятся все меньше, ученые изо всех сил пытаются создать для них батареи, которые были бы достаточно малы, но вместе с тем могли бы обеспечить необходимый заряд. Впрочем, команда инженеров из Гарвардского университета с помощью 3D-принтера уже печатает микроаккумуляторы, размером с песчинку. Вот что говорится в пресс-релизе:

«… исследователи создали чернила для анода, используя наночастицы одного литиево-оксидного соединения, а также чернила для катода из наночастиц другого вида этого соединения. Принтер наносил чернила на зубцы двух золотых гребней, создавая таким образом плотно связанную структуру из анодов и катодов. Затем ученые поместили электроды в крошечный контейнер и заполнили его раствором электролита, чтобы получить батарейку».

Со временем они смогут заряжать медицинские имплантаты, применение которых сдерживается в связи с существующими проблемами их зарядки. [Harvard]

Кости




Имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, такие как челюсть, существуют уже несколько лет. Однако небольшая группа исследователей проводит эксперимент, цель которого — напечатать настоящие кости. К примеру, ученый Кевин Шейкшефф из университета Ноттингема изобрел биопринтер, создающий матрицы из полимолочной кислоты и желатинового альгината, которые затем покрываются стволовыми клетками.



Имплантированные матрицы постепенно будут растворяться и заменяться новой растущей костью: на полное преобразование кости уйдет примерно три месяца. [Forbes]

Кровеносные сосуды и клетки



Мы уже можем печатать органы, но существует серьезная проблема, связанная с созданием функционирующей системы кровообращения.

Немецкий ученый Гюнтер Товар, возглавляющий Институт межфазной инженерии и биотехнологий Фраунгофера, занимается проектом под названием BioRap. Его задача состоит в применении 3D-принтера для печати кровеносных сосудов, в ходе которой используется смесь из синтетических полимеров и биомолекул. Напечатанные кровеносные системы тестируются на животных – для внедрения в организм человека они пока не готовы. Однако в конечном итоге они сделают возможной пересадку печатных органов. [Fraunhofer Institute]

Как вы представляете себе перспективы 3D-печати живыми и замещающими их искусственными материалами для применения в человеческом теле? Скоро ли мы сможем выращивать и заменять полноценные органы, например печень? Поделитесь своим мнением в комментариях.
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 15

    +2
    Скорей бы уже зубы научились печатать живые… весьма нужный орган, проблемы с которым есть почти у всех людей на планете
      0
      Или, например, изобрели бы ремонтных наноботов для зубов…
        0
        Мой стоматолог недавно с семинара вернулся — немцы топят за возврат к максимальному сохранению собственных корней, ибо хайп по поводу имплантов не оправдался — после 50 они практически не приживаются, хоть на 3D принтере их печатай, хоть на 5G. Волокна периодонта не образуются, и искуственный интеллект тоже не помогает. Загадка…
        0
        Интересно, почему ученые пытаются создать биологические органы, а не синтетические аналоги (из гипоаллергенных материалов)?

        Неужели питание механических частей — единственный сдерживающий фактор? Можно ведь использовать тепло/движение для генерации энергии. Или даже прямое подключение к электро сети через индукцию/кабель.

        Ведь теоретически мы можем создать синтетический/механический аналог любого органа. Например, задача сердца — прокачивать кровь с заданным интервалом, что впринципе достижимо с уже существующими методами/технологиям, мы давно уже умеем создавать помпы. Или печень, к примеру, ее задача отделять токсические вещества и хранить кровь, так почему же нельзя этого достичь с таргетными нано-фильтрами?

        Ведь система из синтетических/механических органов может быть создана с большим резервом запаса прочности и позволить нам по-сути покупать/заменять органы при поломке? Это увеличило бы срок жизни человека на десятки, если не сотни лет (останется только проблема со старением мозга)
          0
          Почему, искусственное сердце есть, на данный момент вся система представляет собой небольшой рюкзак, к которому вы привязаны навсегда, не помню точно но рекорд жизни с ним кажется лет 10, но в основном помирают в течение пары лет, так что по возможности стараются заменить донорским. Искусственная почка тоже есть — представляет из себя пару небольших шкафов рядом с кроватью пациента, тут уже сложнее, походить с ними не получится.
            0
            Вот это то и интересно, почему за последние 50 лет мы почти не увидели никакого прогресса с синтетическими/механическими органами.

            Где все эти миллионеры-инвесторы, которые не хотят умирать или просто хотят заработать, продавая искусственные органы миллонам нуждающимся по $10.000 за штуку? Это просто огромный рынок.

            Раньше ведь компьютеры тоже были размером со шкаф и стоили огромных денег, но после 40 лет и миллионных инвестиций они теперь стоят от $5 (Raspberry), имеют размер в несколько сантиметров и могут заряжаться через индукцию без проводов
              0
              Как это не увидели!? Раньше искусственное сердце тоже было шкафом и жить с ним можно было от силы пару недель, а теперь оборудование помещается в рюкзаке и жить с ним можно пару лет.
                0
                Так я и написал, что мы почти не увидели никакого прогресса, он происходит слишком медленно, все существующие искусственные сердца слишком дорогие и не доступные практически никому, а все другие искусственные органы по-прежнему на начальных стадиях.

                Странно просто, что богатые инвесторы не пытаются решить эту проблему, ведь у них организм тоже не защищен от болезней, интерес в этой сфере по-прежнему низкий, хотя она затрагивает каждого, и при успешном решении проблем в этой сфере, каждый получит возможность увеличить продолжительность и качество жизни.
                  0
                  богатый старик ротшильд может просто покупать доноров, это проще и надёжнее
                    0
                    Так я и написал, что мы почти не увидели никакого прогресса, он происходит слишком медленно, все существующие искусственные сердца слишком дорогие и не доступные практически никому, а все другие искусственные органы по-прежнему на начальных стадиях.
                    Купите любые часы которые умеют непрерывно измерять пульс, и попробуйте непрерывно померить пульс хотя бы в течении нескольких часов. Вы удивитесь, как точно и часто сердце меняет частоту своих сокращений, а ведь есть еще два объема, которые тоже меняются. И мы уже даже знаем в зависимости от чего, но сделать компактные датчики которые реагируют на уровень гормонов, частоту дыхания, прямые приказы от нервов (в небольшом объему мы можем регулировать ЧСС и нервными импульсами)… Это все настолько сложно, что сердце размером с рюказк с которым можно ХОДИТЬ!!! Это потрясающий успех!
                    P.S. большенство обычных помп травмирует эритроцыты, и для искуственного сердца подходят только несколько конструкций из возможных…
              0
              Механика очень плохо сращивается с органикой. Есть отдельные неплохие результаты, когда кровеносная сеть прорастает сквозь пористые структуры искусственных костей, но на этом и всё. Мы не можем, например, заменить кровеносные сосуды на пластиковые, потому что в месте их крепления к органическим сосудам ткань начнёт рубцеваться. В случае с сердцем рабочее давление ещё выше, надёжность всей этой системы получается крайне низкой. То есть, если мы хотим надёжно заменить сердце, нужно перекладывать всю кровеносную систему, а это очень трудоёмкая задача.
                0
                Согласен, проблема довольно сложная теоретически, но как показала история, если на решение проблемы есть спрос (в данном случае миллионы людей) а также несколько сотен миллиардов долларов (множество богатых инвесторов/бизнессменов), то проблема автоматически становится решаемой за несколько десятилетий, так было со всеми подобными проектами в прошлом.

                А на счет сосудов, это не такая уж и сложная система, она довольно примитивна сравнительно с другими системами. Все проблемы кажутся сложными когда исследования в этой области на начальных этапах.

                Создавать множество биологически-синтетических соединений конечно сложная задача, тут будет проще если вся система внутре-брюшных органов будет заменена на искусственные (все от сердца до кишечника), тогда мы сократим количество соединений с органической тканью, объединив все искусственные органы между собой синтетическими каналами, и затем уже подключив всю эту систему к артериям и сосудам через пару магистральных гибридных каналов (частично биологических).
                  0
                  Пока владельцы капиталов считают биотехнологию более перспективной, они будут нести деньги туда, и ничего плохого в этом нет. На основе выращенных органических сосудов потенциально можно построить очень надёжную систему. Например, за счёт клапанов в выращенных сосудах можно организовать ограничитель артериального давления, одновременно повысив надёжность системы за счёт избыточности каналов.
                    0
                    Вы недооцениваете сложность задачи. И размер инвестиций тоже. Трудно оценить в ретроспективе, но в эту отрасль (а это именно целая отрасль) за десятилетия вложены триллионы долларов (США).
                    На данный момент, и в ближайшей перспективе мы не можем заменить «всю систему брюшных органов» искусственной. Не для всех органов созданы полнофункциональные аналоги, и проблемы тут не только в биосовместимости.
                    Хотя и в плане биосовместимости нерешенных проблем более чем хватает. Например, титановые импланты не могут быть установлены на всю жизнь, если речь идёт не о пожилом пациенте. Дело не в прочности самих имплантов, а в различии механических свойств титанового сплава и кости. И это — один из самых простых случаев.
                  0
                  Потому что ни Вы, ни диже многие ученые и близко не представляют насколько сложны на самом деле органы. Вы упростили работу сердца до перекачивания крови, но как насчет того, чтобы синтетическое сердце реагировало на те же гормоны, что и настоящее? С печенью все еще сложнее. Она должны вырабатывать кучу ферментов в зависимости от ситуации, так сказать. Как ни крутите, но для создания хорошего синтетического органа необходимо очень хорошо понимать поведение настоящего органа, чтобы скопировать его. То есть нужно по сути изучить весь организм, все химические реакции, протекающие в нем и тд и тп. Это очевидно неподъемная задача на данный момент. Поэтому даже лучшие из существующих синтетических органов (включая разного рода протезы) выполняют свои задачи гораздо хуже настоящих органов. Поэтому логичнее будет попытаться использовать естественные механизмы построения органов и стволовые клетки. Это будет более универсальным и более качественным решением проблемы.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое