Изобретен способ восстановления тканей сердца с помощью 3d-принтера
Centr86.ru

Ремонт бытовой техники

Изобретен способ восстановления тканей сердца с помощью 3d-принтера

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

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.

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.

Универсальный создатель: сможет ли 3D-принтер заменить доноров органов

В апреле израильские ученые смогли напечатать на 3D-принтере крошечное сердце из живых тканей. Тем временем ученые из Германии разработали методику, которая поможет сделать органы прозрачными. Это нужно для того, чтобы лазер смог отсканировать строение органа с точностью до мельчайшего сосуда, создать 3D-модель, а затем напечатать ее на принтере. Кажется, что 3D-принтер придумали те, кто в детстве мечтал о волшебной палочке: с его помощью сегодня можно сделать протез и построить дом, приготовить стейк, напечатать собственную мини-копию или фигурку горгульи из пепла Нотр-Дама, как это сделала нидерландская компания (таким образом предлагается восстановить утраченные элементы собора). На 3D-принтере можно напечатать всё или есть предел совершенству — разбирались «Известия».

Дела сердечные

То самое сердце, которое напечатали израильские ученые, размером с клубнику, подойдет разве что кролику. Специалисты кафедры молекулярно-клеточной биологии Университета Тель-Авива преобразовали жировые клетки одного из пациентов в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы, добавили соединительную ткань и загрузили своеобразные чернила в принтер. Через три часа сердце было готово.

Сердце, напечатанное на 3D-принтере

«Это исследование открывает путь медицине будущего, когда пациентам больше не придется ждать органы для пересадки или принимать лекарства, предотвращающие их отторжение. Вместо этого прямо в больницах будут напечатаны необходимые органы, полностью персонализированные под каждого пациента», — сообщили в пресс-службе Университета Тель-Авива.

С трансплантологией во всем мире действительно непросто. В России, по словам министра здравоохранения Вероники Скворцовой, за последние три года количество операций по трансплантологии увеличилось в 1,5 раза. В 2018 году было пересажено 1,4 тыс. почек, сделано 500 пересадок печени и 290 — сердца. При этом в очереди на трансплантацию только почки могут стоять около 20 тыс. человек. Поэтому возможность напечатать новый орган, а тем более такой сложный, как сердце, действительно решит серьезную проблему нехватки доноров. Надеемся, что исполнительный директор ведущей компании по 3D-биопринтингу в России Юсеф Хесуани окажется прав, озвучивая прогноз Международного общества биофабрикации в интервью «РИА Новости»: первые пригодные для пересадки человеку органы будут напечатаны к 2030 году (вероятно, это будет кожа и хрящ). Проверим, осталось недолго. В конце концов, еще три года назад российские ученые успешно пересадили напечатанную щитовидную железу мыши.

А пока эксперты не спешат назвать опыт израильских ученых прорывным.

— Это ранний этап, первые шаги. Условно говоря, это как в обычной печати: сначала освоили черно-белую печать, а настоящее сердце — это уже цветная, — говорит «Известиям» медицинский директор компании по разработке и производству медицинских изделий для интервенционной кардиологии «Ангиолайн» Олег Волков. — Открытый вопрос: как, если ты уже напечатал, например, печень или почку, свести сосуды? У нормального органа есть своя сосудистая сеть, а 3D-принтер до определенного момента не позволял интегрировать эти сосуды при печати. Сейчас тестируют технологии, которые это делают. С трансплантологией везде сложно. Можно подобрать донора, совместимого по всем показателям, а всё равно будет отторжение органа. Поэтому печать решает главный вопрос биологической совместимости. Неважно, что это будет — маленький зубик или большая печень, сердце. Сейчас даже популярные в стоматологии металлические импланты могут 100% не прижиться.

Печать сердца на 3D-принтере

По словам Олега Волкова, что точно случится быстрее печати функционального человеческого сердца, так это печать отдельных структур. Например, сердечного клапана.

Сейчас, по сути, клапаны пересаживают двух типов: механический и биологический, — объясняет Олег Волков. — Для биологического клапана берут либо ткани свиньи, либо ткани коров — например, бычий перикард (наружная оболочка сердца и околосердечных сосудов или околосердечная сумка. — «Известия»). И есть нюансы. Во-первых, особенности физиологии этих животных. Во-вторых, та же свинья не везде приветствуется как источник биоматериала по религиозным соображениям. Но главная беда биологических клапанов в том, что, в отличие от механических, они лучше работают в организме, но подвержены разного рода трансформациям: могут обызвествляться (откладывать соли кальция. — «Известия»), а створки — уплотняться. В конце концов клапан перестает работать и требует замены. Печать клапана из собственных клеток человека, которые будут не просто совместимыми, а «родными», действительно поможет.

Объективно об аддитивных

3D-печать, или 3D-принтинг, называют аддитивными технологиями (от англ. add — прибавлять, соединять) из-за способа печати: путем наложения, то есть прибавления слоя за слоем, на свет появляется смоделированный объект.

Помните, как в фильме «Москва слезам не верит» фанат от телевидения говорил? Скоро не будет ни театра, ни кино, будет только телевидение. Я тоже в шутку повторяю, что скоро не будет ни литья, ни штамповки, ни прессовки, будет один сплошной 3D-принтинг, — говорит «Известиям» научный руководитель инжинирингового центра прототипирования высокой сложности «Кинетика» НИТУ «МИСиС» Александр Громов. — Современные 3D-принтеры пока несовершенны, они похожи на самые первые принтеры для бумаги со стучащими каретками. Но когда эти принтеры дойдут до такого уровня, как сейчас принтеры для печати бумаги, тогда они действительно смогут напечатать всё.

И дает на «разгон» технологии лет десять. Пока масштабное применение 3D-печати в ведущих отечественных отраслях дороже традиционных технологий. Например, принтер по печати металлом стоит около €100 тыс., хотя китайский аналог уже в два раза дешевле, а некоторые принтеры для печати пластиковых деталей стоят уже несколько тысяч рублей.

Процесс печати на 3D-принтере в Центре технологической поддержки образования Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» в Москве

— У многих в Европе в гаражах стоят эти пластиковые принтеры. Зачем ехать за деталью, если можно ее напечатать! Те, кто более-менее с 3D-моделью разбираются, смогут это сделать, а когда-нибудь это будет так же просто, как работать с файлами Word, — говорит Александр Громов. — У каждой технологии есть период внедрения. Лазеры появились в конце 50-х годов прошлого столетия, а распространились повсеместно только сейчас. Почти 70 лет прошло. Аддитивные технологии появились примерно в 1990-х годах, так что нужно еще лет 10, 20, 30… Сейчас, конечно, всё быстрее, жизнь и наука ускоряются, так что в ближайшие 10 лет 3D-принтеры будут распространены повсеместно. Особенно интересно посмотреть, как это будет работать в космосе, на Луне. Привез с собой принтер, напечатал из лунного грунта всё — от ложки до дома и корабля, на котором полетит обратно. Удобно!

Читать еще:  Почему не работает стиральная машина

И, возможно, уже через пару десятков лет на вопрос «Какую одну вещь вы бы взяли с собой на необитаемый остров?» каждый ответит: «3D-принтер». А пока дела в России обстоят неплохо, но мы еще не в лидерах, хотя отечественный 3D-биопринтер тестируют на МКС, а в двигателе ПД-14 для гражданского лайнера МС-21 стоит напечатанная деталь. Готовимся запустить в космос ракету, в двигателе которой будет стоять напечатанная на принтере форсунка.

По аддитивным технологиям Китай, наверное, уже обогнал Америку и стоит на первом месте. Мы где-то на шестом-седьмом месте, то есть в десятке, но где-то на нижних позициях по одной простой причине: в Европе 3D-печать используют везде, а в России ее только-только начинают внедрять. Даже если где-то внедряется, то никто не расскажет, что у них на производстве стоит 3D-принтер: не хотят плодить конкурентов, — рассказывает «Известиям» член Ассоциации представителей отрасли аддитивных технологий (АПОАТ) Сергей Пушкин. — Почему в автомобиле и авиастроении практически не применяются аддитивные технологии? Потому что нет ГОСТов. Да, аддитивные технологии используются в промышленности, ВПК, но для создания прототипов.

Первый российский 3D-принтер для печати крупных металлических изделий в условиях невесомости, представленный на IV форуме молодых ученых U-NOVUS-2017 в Томске

И даже на фоне новостей, что в Петербурге запускают серийное производство промышленного 3D-принтера, серийное производство уже при помощи 3D-принтера, по мнению Сергея Пушкина, для интенсивного производства пока точно невозможно. Во-первых, долго: одна деталь может «расти» от нескольких часов до нескольких суток. Во-вторых, дорого, если попробуем ускорить процесс, закупив с десяток принтеров.

Смысл 3D-печати — в создании прототипа, — поясняет Сергей Пушкин. — Например, есть предприятие, которое производит корпус для электроники. Инженер чертит макет корпуса и отправляет его на производство. Через месяц ему возвращают корпус обратно из-за ошибки проекта. Перепроектировали, снова отправили на производство — опять ошибка. И так одну деталь можно разрабатывать год. А 3D-принтер напечатает деталь в зависимости от размера за один-два часа либо сутки-двое. Пока он печатает, инженер может заметить ошибку и перепроектировать. Сделал пластиковую деталь — запустил в производство, изготовили форму для литья. Сокращение сроков производства и финансовых расходов.

Дом, который построил не Джек

В 2017 году в Ступино вырос настоящий 3D-дом, целиком, а не по кирпичику напечатанный на принтере. Но прошла пара лет, и за это время кварталы напечатанных на 3D-принтере домов так и не появились, зато можно свободно купить строительный принтер. Правда, стоимость агрегата, который построит дом целиком, соизмерима по цене с обычным жильем — несколько миллионов рублей. Для личного пользования цена кусается, но как бизнес-идея вполне жизнеспособна.

Между прочим, мы лидеры в строительном 3D-принтинге, только об этом никто не говорит, — удивляет Сергей Пушкин. — У нас есть две компании, которые занимаются разработкой данных принтеров, их принтеры уже и Арабские Эмираты купили, и Дания, да вся Европа закупает. Одна компания только в России продала больше 60 принтеров. В Ярославле они построили дом, в котором живут люди.

Органы печати: как с помощью 3D-принтера делают уши, кожу и носы

Поделиться сообщением в

Внешние ссылки откроются в отдельном окне

Внешние ссылки откроются в отдельном окне

Люку Масела сейчас 27 – он спортсмен с дипломом по экономике, работает в крупной выставочной компании, много путешествует и недавно встретил, по его словам, “самую красивую девушку на свете”. И она, и большинство его нынешних друзей были крайне удивлены, когда узнали, что 17 лет назад он пережил полтора десятка операций.

Люк родился с расщеплением позвоночника – и хотя он смог начать ходить, его мочевой пузырь был сильно поврежден. К 10 годам он почти не выходил из больниц: из-за неправильной работы мочевого пузыря в почки мальчика стала возвращаться жидкость, врачи диагностировали необратимую патологию органа.

Врачи предлагали семье два решения: пожизненный диализ или создание нового мочевого пузыря из сегмента кишки. Это гарантировало бы Люку несколько лет жизни под медицинским присмотром и высокий риск развития рака.

Уролог, который вел мальчика, предложил семье Масела принять участие в экспериментальной программе: вырастить новый мочевой пузырь из его же собственных клеток. Тогда, в 2001 году, это звучало как научная фантастика: в самой программе до Люка приняли участие всего девять человек. Несмотря на это, его семья согласилась.

“Суть операции сводилась к двум этапам: сначала у меня взяли кусочек ткани мочевого пузыря и в течение двух последующих месяцев в лаборатории растили клетки, чтобы из них вырастить новый здоровый пузырь”, – рассказывает Люк.

Дальше была операция по пересадке, которая, по его словам, длилась 16 часов. “Я открыл глаза и увидел разрез через весь мой живот, из меня торчали трубки всех возможных размеров, кроме них – четыре капельницы и аппарат искусственного вскармливания, – вспоминает он. – Я оставался в больнице еще месяц, мне был прописан постельный режим, после этого я еще месяц лежал дома”.

Операцию делал доктор Энтони Атала – детский регенеративный хирург. За два месяца из ста клеток пациента ученые создали полтора миллиарда. Дальше на каркасе из коллагена была создана инженерная конструкция: мочевой пузырь “лепили”, как двухслойный пирог, сердцевина которого со временем растворилась, и он заработал, как обычный орган, прижившись благодаря клеткам самого Люка.

После выписки из больницы Люк и доктор Атала не виделись 10 лет . Когда-то умирающий ребенок стал чемпионом школьной команды по вольной борьбе и поступил в колледж.

Профессор за эти 10 лет возглавил институт регенеративной медицины Wake Forest в Северной Каролине, но о Люке он не забывал ни на минуту: его мочевой пузырь был одним из самых сложных и самых успешных проектов в его ранней практике .

К 2018 году Атала стал лауреатом премии Кристофора Колумба – за “работу над открытием, которое окажет существенное влияние на общество”; журналы Times и Scientific American в разное время называли его “врачом года”, он также был признан “одним из 50 ученых планеты, которые в ближайшие 10 лет изменят наш образ жизни и работы”.

Как напечатать новое лицо

В середине 2000-х годов команда Аталы обратила внимание на обыкновенный бытовой 3D-принтер и написала для него специальное программное обеспечение, позднее для лаборатории были созданы специализированные машины. Теперь в лаборатории “выращивают” до 30 различных видов клеток и органов, а также хрящи и кости.

Одни из последних достижений команды – уши и носы, выращенные вне тела человека.

Главный заказчик и спонсор разработок Аталы – американское министерство обороны, а многие пациенты – военные, пострадавшие в результате боевых действий.

Работает это так: сперва делается компьютерная томография уха или носа. Один из ассистентов Аталы, Джошуа Корпус, шутит: на этом этапе люди нередко просят “улучшить” форму носа, если свой им казался слишком широким или крючковатым, и ушей, если те были уж очень развесисты.

После этого пишется специальный компьютерный код, и начинается печать основы органов.

Для этого используется саморассасывающийся полимер – поликапролактам. Одновременно и гибкий, и прочный, в теле человека он распадается в течение четырех лет.

После печати слои поликапролактама напоминают кружево, их место после трансплантации уже через несколько лет займут собственные хрящевые ткани человека.

Затем поликапролактам насыщают созданным из клеток пациента гелем, охлажденным до -18 градусов Цельсия – таким образом клетки, по словам ученых, не повреждаются, они “живы и счастливы”.

Чтобы конструкция из полимера и геля приобрела форму и превратилась во что-то более прочное, в лаборатории используют ультрафиолет – он не повреждает клетки.

Будущий имплантат печатается 4-5 часов, затем окончательно формируется и вставляется под эпидермис.

Выращивать можно и кожу: первыми в ранних испытаниях Аталы принимали участие пострадавшие в пожарах дети – после “распечатки” кожи ученые еще несколько лет наблюдали за пациентами. Новая кожа не трескалась, не лопалась и росла вместе с детьми.

Самая сложная работа, по словам ученого, – раны лица: мало просто натянуть кожу, нужно точно рассчитать геометрию, выверить припухлости, строение костей, и понять, как после этого будет выглядеть человек.

Кроме кожи и ушей, Атала может “напечатать” кости челюстей, вырастить кровеносные сосуды и клетки некоторых органов – печени, почек, легких.

Эту технологию особенно ценят онкологи: на основе клеток пациентов можно воссоздать реакцию организма на разные виды химиотерапии и наблюдать за реакцией на тот или иной тип лечения в лабораторных условиях, а не на живом человеке.

А вот печень, почки, легкие и сердце – все еще на стадии испытаний. Атала говорит, что вырастил их в миниатюре, но создание органов из различных тканей и в настоящую величину требует множества дополнительных исследований.

Зато, по его словам, в лаборатории вырастили клетки и создали вагину для девочки, родившейся несколько лет назад с врожденной деформацией половых органов – с момента пересадки прошло уже несколько лет.

Атала улыбается и добавляет: над созданием работоспособного пениса его команда тоже работает. Это исследования продолжаются уже несколько лет, и больше всего хлопот ученым доставляют сложная структура тканей и специфическая чувствительность самого органа.

В числе прочих над этим в лабораторных условиях трудится россиянин, аспирант Первого Московского государственного медицинского университета (МГМУ) имени Сеченова Игорь Васютин. Он – клеточный биолог, правая рука Аталы.

В США Васютин около года – приехал по обмену. О поведении стволовых клеток он готов рассуждать часами, но становится менее многословен, когда речь заходит о российской науке.

В альма-матер Васютина до массовой регенерации человеческих органов не дошли и пока тренируются на животных: местные ученые “распечатали” на 3D-принтере щитовидную железу мыши.

Исследованием человеческих органов там, впрочем, тоже занимаются. По словам руководителя Института регенеративной медицины при МГМУ Дениса Бутнара, несколько лет назад в Институте воссоздали специальную инженерную конструкцию слизистой оболочки щеки. Она отлично функционировала первые полгода, но впоследствии пришлось сделать повторную операцию.

В России, впрочем, на протяжении нескольких последних лет практиковал итальянский хирург-трансплатолог Паоло Маккиарини – человек, первым в истории сделавший операцию по пересадке синтетического органа – пластиковой трубки, заменившей пациенту трахею.

Однако семь из девяти его пациентов умерли, а имплантированные оставшимся двоим дыхательные трубки впоследствии пришлось заменить донорскими.

На него было заведено несколько уголовных дел, в том числе по обвинениям в давлении на пациентов и мошенничестве, а ведущие медики мира называли операции Маккиарини “этическим Чернобылем”.

Заменят ли напечатанные органы доноров?

В зените своей карьеры Маккиарини утверждал, что перед человечеством открывается новая перспектива: можно “распечатать” на принтере любой человеческий орган, создать из него инженерную конструкцию, обогащенную стволовыми клетками пациента, и получить идеальный протез.

Читать еще:  Оптимальное расстояние просмотра телевизора в зависимости от диагонали

Как бы там ни было, сложные человеческие органы – печень, почки, сердце, легкие – пока не удалось вырастить ни одному регенеративному хирургу.

Биопечать так называемых простых органов, впрочем, уже доступна в США, Швеции, Испании и Израиле – на уровне клинических испытаний и специальных программ.

Американское правительство активно инвестирует в подобные программы – кроме Wake Forest, сотрудничающей с Пентагоном, на воссоздание работы печени, сердца и легких значительные суммы получает и Массачусетский технологический институт.

По мнению профессора Хорхе Ракелы, гастроэнтеролога в исследовательском центре Mayo Clinic, “биопечать – одна из самых потрясающих отраслей современной медицины, за ней огромный потенциал, и переломный момент самых важных открытий уже близок”.

Между тем Пит Басильер, руководитель отдела по научно-исследовательской работе аналитической компании Gartner, настаивает: технологии развиваются намного быстрее, чем понимание тех последствий, которые может повлечь за собой 3D-печать.

Подобные разработки, по словам Басильера, даже созданные с самыми благими намерениями, рождают набор вопросов: что случится, когда будут созданы “улучшенные” органы, основой которых станут не только человеческие клетки – будут ли они обладать “суперспособностями”? Будет ли создан контролирующий орган, следящий за их производством? Кто будет проверять качество этих органов?

Согласно докладу Национальной медицинской библиотеки США, в очередь на пересадку органов каждый год встают больше 150 тыс. американцев. Донорские органы получит только 18% из них; каждый день в Штатах, так и не дождавшись трансплантации, умирают 25 человек. Пересадка органов и последующая реабилитация только в 2012 году обошлись страховым компаниям и пациентам в 300 млрд долларов.

При этом большинство американцев – потенциальные доноры: при получении водительских прав они добровольно отвечают на вопрос о том, согласны ли поделиться своими органами в случае автокатастрофы или другого опасного инцидента. В случае согласия в углу документа появляется маленькое “сердечко” и слово “донор”.

Такое красуется и на водительском удостоверении профессора Аталы – несмотря на все свои достижения и веру в “органы печати”, он готов поделиться с окружающими своими.

Ни сам профессор, ни его подчиненные не скрывают – “напечатать” органы для тысяч нуждающихся в пересадке прямо сейчас наука пока не в состоянии. По его словам, на то, чтобы на уровне массового рынка заменить донорские органы выращенными, уйдет несколько десятков лет.

Работа Аталы и других специалистов в области регенеративной медицины остается скорее испытательной, чем массовой, и все еще “заточенной” под каждого отдельного пациента.

Живое сердце напечатают на принтере целиком

Удивительные достижения в кардиологии и кардиохирургии открывают дверь в будущее

Сердце — удивительно сильный и в то же время очень уязвимый орган. Сердечнососудистые заболевания остаются причиной смерти №1 в мире, по данным ВОЗ, на них приходится 3 из 10 смертей.

В некоторых странах, благодаря медицинскому просвещению, пропаганде здорового образа жизни, отказа от курения и превентивным лекарственным терапиям, распространенность болезней сердца и сосудов снижается, как это произошло в США.

Лечение, однако, никогда не перестанет быть актуальным, и конечно, больше всего человечество заинтересовано в тех терапиях, которые позволят восстановить утративший жизнеспособность орган либо заменить его на новый, не опасаясь реакции отторжения.

В одной статье невозможно охватить все достижения медицинской науки в области кардиологии и кардиохирургии, мы остановимся на некоторых из тех, что уже сегодня приоткрывают дверь в будущее.

Копия сердца на 3D принтере стала тренажером для хирургов

Операция, которую провели китайские врачи на сердце 9-месячного ребенка весной нынешнего года, не может не восхищать.

Маленький мальчик родился с тяжелейшим пороком сердца под названием тотальный аномальный дренаж легочных вен. При этом пороке артериальная кровь, минуя сердце, попадает в большие вены и в правое предсердие. В дополнение к этому у малыша был атриовентрикулярный дефект предсердной перегородки, при котором кровь свободно перетекает между предсердиями. Пройдя через перегородку, артериальная кровь оказывалась там, где ей полагалось быть изначально – в левом предсердии, и дальше совершала обычный путь по большому кругу кровообращения.

Трудно представить себе, что такое возможно, но дети с этим пороком рождаются доношенными, а сердце некоторое время справляется с ситуацией.

Малыш из Цзилиня сразу после рождения казался вполне здоровым, однако через некоторое время у него развилась сильная одышка, и в возрасте 9 месяцев он поступил в Педиатрический кардиоцентр Народной больницы Цзилиня в критическом состоянии из-за острой сердечной недостаточности и тяжелой пневмонии. При отсрочке лечения вероятность не дожить до своего первого дня рождения составляла для мальчика, по оценке директора Центра Чжан Ксуекина, 80%.

Но как спланировать операцию при таком сложном дефекте, основываясь лишь на снимках УЗИ? Как избежать осложнений в процессе хирургического вмешательства? Ведь такой порок чрезвычайно редок и исправить его очень сложно.

Специалисты Центра нашли выход. С помощью 3D принтера им удалось напечатать точную копию маленького сердца и на ней тщательно отработать последовательность действий при хирургическом вмешательстве. «После тренировки на модели мы знали точно, где нужно сделать надрез и какого размера он должен быть. Имея тщательно разработанный план, мы потратили всего половину того времени, которое было запланировано на операцию», — говорит Чжан Ксуекин.

Малыш чувствует себя хорошо, и врачи считают, что в дальнейшем он будет почти или даже полностью здоровым.

Первое в мире бионическое сердце, работающее без пульса

Человеку его пока что не пересадили, но планируют сделать это в скором времени. А вот овечка с непульсирующим бионическим сердцем, полученным ею в январе 2016 года, не только жива, но вполне здорова и активна.

Что заставило австралийских ученых из Технологического университета Квинсленда заняться поиском нового конструктивного решения?

Дело в том, что существующие модели искусственного сердца довольно крупные и недолговечные. Одна из конструктивных особенностей — наличие мешочка, похожего на воздушный шарик, который со временем рвется, ведь искусственное сердце совершает миллиарды ударов в год.

Новое бионическое сердце BiVACOR для продвижения крови по кровеносной системе использует вращение двух титановых дисков под действием магнитной левитации со скоростью 2000 оборотов в минуту. Срок службы искусственного сердца увеличился примерно на 10 лет, так как в нем нет трущихся деталей и полностью исчез пульс.

Для испытаний на человеке ученым требуется финансирование на дальнейшие исследования. При удачном стечении обстоятельств уйдет год для подтверждения безопасности и работоспособности устройства и от 3 до 5 лет на то, чтобы полностью адаптировать модель для человека.

Стволовые клетки: починить и даже вырастить сердце

Место действия — снова Австралия, Брисбен. Буквально на днях в исследовательской лаборатории больницы принца Чарльза ученые продемонстрировали журналистам живую пульсирующую ткань сердца, выращенную из стволовых клеток. Они полагают, что в будущем созданные таким образом клетки сердца будут использоваться для восстановления поврежденной при инфаркте или в результате другого заболевания ткани сердечной мышцы. Будучи доставленными в определенный отдел сердца, клетки начнут расти и «чинить» поврежденный участок.

Можно ли вырастить человеческое сердце из дифференцировавшихся стволовых клеток?

«В теории — да!», — говорит доктор Натан Палпант, ведущий исследования в Институте молекулярной биологии Квинсленда, работающий в составе интернациональной команды над следующим поколением сердечных трансплантатов.

Сложность заключается в том, что вырастить требуется не просто ткани разных типов сердечных клеток. У сердца есть архитектура, ткани должны заполнить определенный каркас, чтобы сконструировать рабочий орган.

На сегодняшний день американским ученым из Гарварда и Массачусетса удалось вырастить человеческое сердце, используя в качестве каркаса донорское сердце, клетки которого заместили выращенными из стволовых, которые, в свою очередь, были получены из клеток кожи пациента. Когда через сердце пропустили электрический ток, оно забилось.

Принципиально важно то, что донорское сердце для традиционной пересадки очень сложно подобрать так, чтобы оно не вызвало реакцию отторжения. Клетки же, выращенные из собственных клеток реципиента, такой реакции вызвать не могут.

В настоящее время ученые работают над тем, чтобы создать оптимальные условия для выращенного сердца, максимально приближенные к естественной среде человеческого тела и ускорить время созревания органа.

Биопечать одного клапана…

Принципиальная задача, однако, научиться создавать трансплантаты, не прибегая к использованию донорских органов. Исследователи Денверского университета (Колорадо, США) надеются, что они смогут решить эту проблему. Для биопечати они используют сравнительно недорогой 3D принтер BioBot 1. Первым этапом их работы стала печать клапанов сердца.

В настоящее время кардиохирурги вполне успешно используют клапаны из искусственных материалов, но здесь есть одна сложность: для растущего детского сердца такой клапан может быть лишь временным, а вот живой клапан будет расти вместе с сердцем и не потребует очередного хирургического вмешательства.

«Чтобы внедрить аортальный клапан, пациентам обычно делают множество операций. Метод инвазивный, а потому это не лучший подход к решению проблемы. Создавая клапаны биоинженерным способом, мы можем вживить в сердце клапан, который будет расти вместе с ребенком» — говорит доктор Али Азадани, директор Лаборатории сердечной биомеханики Денверского университета.

Исследователи уже начали печатать сердечные клапаны, сформированные на основе магнитно-резонансных и компьютерно-томографических сканов сердца пациента. Сердечный 3D-клапан был напечатан за 22 минуты, но команда пока работает над тем, чтобы он был полностью совместим с живыми тканями. Чтобы соединить клетки тела человека с напечатанным сердечным клапаном, ученым требуется биореактор (камера, в которой создана среда для «дозревания» органов).

Команда исследователей Денверского университета в начале пути, однако они полагают, что разрабатываемая ими биотехнология со временем станет реальной терапией.

…или биопечать всего сердца: фантастика или реальность?

Если послушать Стюарта Вилльямса, директора Института кардиоваскулярных инноваций (Луисвилль, США), то задача неосуществимой не кажется: «Осмелюсь заметить, один из простейших объектов биопечати – сердце. Это всего лишь насос с трубочками, которые необходимо соединить между собой, – говорит он. – Нужно взять всего два комочка жира, каждый размером с шарик для гольфа – и у вас будет достаточно клеток для того, чтобы воссоздать практически все самые важные кровеносные сосуды сердца».

Некоторые эксперты, впрочем, считают, что, несмотря на всю заманчивость, теория так и останется теорией, ведь важно не просто воспроизвести орган с помощью 3D печати, нужно, чтобы он «созрел» в биореакторе, а затем начал жить и функционировать в человеческом организме, а это задача не из легких. Однако перспектива заменить пришедшее в негодность сердце пациента на здоровое, напечатанное из его собственных клеток, которые сменили свой профиль, столь заманчива, что исследователи разных стран мира упорно работают над ней.

Впрочем, целью исследователей является не только сердце, но и печень, почки, и другие органы.

Один из пионеров биопечати — профессор Энтони Атала, директор Института регенеративной медицины Вейк Форест (Новая Каролина). Выше мы говорили о пульсирующей сердечной ткани, впервые выращенной на основе стволовых клеток, а научная группа Аталы весной 2015 года впервые напечатала миниатюрные участки сердечной ткани, способные сокращаться.

Сердечные клетки были получены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые, в свою очередь, стали результатом генной модификации клеток человеческой кожи. Миниатюрный орган, напечатанный на специализированном биопринтере, поместили в среду с температурой, соответствующей температуре человеческого тела. При помощи электрической и химической стимуляции исследователи смогли менять режим сокращения ткани.

Конечно, для создания сердца сокращающейся ткани недостаточно. Нужны еще 4 части: клапаны, коронарные сосуды, сосуды микроциркуляции крови и электросистема. Команде Стюарта Вилльямса из Луисвилльского института кардиоваскулярных инноваций удалось создать небольшую часть сердца с кровеносными сосудами и вживить их «пациенту» — пока что мыши.

Очередная сенсация от команды Энтони Аталы тоже не обошлась без участия мыши: в феврале нынешнего года они напечатали орган, пересадили его животному, и он не только прижился, но и заработал! Орган, правда, попроще сердца: это ухо размером 2,5 см, но оно сформировало хрящевую ткань и кровеносные сосуды, то есть успешно интегрировалось в живой организм.

Читать еще:  Стиральная машина плохо, не до конца сливает воду

Научный прорыв стал возможным благодаря новому биопринтеру Института Вейк Форест. Это ITOP (Integrated Tissue and Organ Printing System), или Объединенная система для печати тканей и органов. Главное его преимущество заключается в том, что он может печатать васкуляризированные, то есть обладающие сетью кровеносных сосудов, ткани. Васкуляризированные органоиды после имплантации хорошо приживаются и полностью интегрируются в организм, как это и произошло с ухом.

Сколковская мышь

Особенно радует, что от американских ученых на этом поприще не отстают и наши соотечественники. В феврале нынешнего года компания-резидент «Сколково» объявила о том, что ее команда исследователей на первом разработанном в РФ биопринтере напечатала щитовидную железу и успешно вживила ее мыши. Вице-президент фонда «Сколково», исполнительный директор кластера биомедицинских технологий Кирилл Каем считает это важным достижением, потому что щитовидка — не такой уж простой для печати орган. А это значит, что ученые уже идут по тому пути, который может привести к биопечати сердца.

Кирилл Каем оценивает время, необходимое на освоение печати органов в 15 лет. «Условно говоря, с технологической точки зрения, я надеюсь, что мы сможем печатать органы человека и получать их в нужном качестве в течение семи-восьми лет. А оставшееся время уйдет на внедрение в клиническую практику хотя бы на уровне клинических испытаний».

Прогноз нашего соотечественника примерно совпадает с перспективным планом Стюарта Вилльямся, рассчитанным на 10 лет. Вилльямс говорит, что некоторые из коллег-медиков смеются над его амбициозным намерением сравнительно через небольшой срок напечатать человеческое сердце.

«Я рад, что они смеются, — добавляет он. — Это тот самый вызов, который мне так необходим».

Универсальный создатель: сможет ли 3D-принтер заменить доноров органов

В апреле израильские ученые смогли напечатать на 3D-принтере крошечное сердце из живых тканей. Тем временем ученые из Германии разработали методику, которая поможет сделать органы прозрачными. Это нужно для того, чтобы лазер смог отсканировать строение органа с точностью до мельчайшего сосуда, создать 3D-модель, а затем напечатать ее на принтере. Кажется, что 3D-принтер придумали те, кто в детстве мечтал о волшебной палочке: с его помощью сегодня можно сделать протез и построить дом, приготовить стейк, напечатать собственную мини-копию или фигурку горгульи из пепла Нотр-Дама, как это сделала нидерландская компания (таким образом предлагается восстановить утраченные элементы собора). На 3D-принтере можно напечатать всё или есть предел совершенству — разбирались «Известия».

Дела сердечные

То самое сердце, которое напечатали израильские ученые, размером с клубнику, подойдет разве что кролику. Специалисты кафедры молекулярно-клеточной биологии Университета Тель-Авива преобразовали жировые клетки одного из пациентов в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы, добавили соединительную ткань и загрузили своеобразные чернила в принтер. Через три часа сердце было готово.

Сердце, напечатанное на 3D-принтере

«Это исследование открывает путь медицине будущего, когда пациентам больше не придется ждать органы для пересадки или принимать лекарства, предотвращающие их отторжение. Вместо этого прямо в больницах будут напечатаны необходимые органы, полностью персонализированные под каждого пациента», — сообщили в пресс-службе Университета Тель-Авива.

С трансплантологией во всем мире действительно непросто. В России, по словам министра здравоохранения Вероники Скворцовой, за последние три года количество операций по трансплантологии увеличилось в 1,5 раза. В 2018 году было пересажено 1,4 тыс. почек, сделано 500 пересадок печени и 290 — сердца. При этом в очереди на трансплантацию только почки могут стоять около 20 тыс. человек. Поэтому возможность напечатать новый орган, а тем более такой сложный, как сердце, действительно решит серьезную проблему нехватки доноров. Надеемся, что исполнительный директор ведущей компании по 3D-биопринтингу в России Юсеф Хесуани окажется прав, озвучивая прогноз Международного общества биофабрикации в интервью «РИА Новости»: первые пригодные для пересадки человеку органы будут напечатаны к 2030 году (вероятно, это будет кожа и хрящ). Проверим, осталось недолго. В конце концов, еще три года назад российские ученые успешно пересадили напечатанную щитовидную железу мыши.

А пока эксперты не спешат назвать опыт израильских ученых прорывным.

— Это ранний этап, первые шаги. Условно говоря, это как в обычной печати: сначала освоили черно-белую печать, а настоящее сердце — это уже цветная, — говорит «Известиям» медицинский директор компании по разработке и производству медицинских изделий для интервенционной кардиологии «Ангиолайн» Олег Волков. — Открытый вопрос: как, если ты уже напечатал, например, печень или почку, свести сосуды? У нормального органа есть своя сосудистая сеть, а 3D-принтер до определенного момента не позволял интегрировать эти сосуды при печати. Сейчас тестируют технологии, которые это делают. С трансплантологией везде сложно. Можно подобрать донора, совместимого по всем показателям, а всё равно будет отторжение органа. Поэтому печать решает главный вопрос биологической совместимости. Неважно, что это будет — маленький зубик или большая печень, сердце. Сейчас даже популярные в стоматологии металлические импланты могут 100% не прижиться.

Печать сердца на 3D-принтере

По словам Олега Волкова, что точно случится быстрее печати функционального человеческого сердца, так это печать отдельных структур. Например, сердечного клапана.

Сейчас, по сути, клапаны пересаживают двух типов: механический и биологический, — объясняет Олег Волков. — Для биологического клапана берут либо ткани свиньи, либо ткани коров — например, бычий перикард (наружная оболочка сердца и околосердечных сосудов или околосердечная сумка. — «Известия»). И есть нюансы. Во-первых, особенности физиологии этих животных. Во-вторых, та же свинья не везде приветствуется как источник биоматериала по религиозным соображениям. Но главная беда биологических клапанов в том, что, в отличие от механических, они лучше работают в организме, но подвержены разного рода трансформациям: могут обызвествляться (откладывать соли кальция. — «Известия»), а створки — уплотняться. В конце концов клапан перестает работать и требует замены. Печать клапана из собственных клеток человека, которые будут не просто совместимыми, а «родными», действительно поможет.

Объективно об аддитивных

3D-печать, или 3D-принтинг, называют аддитивными технологиями (от англ. add — прибавлять, соединять) из-за способа печати: путем наложения, то есть прибавления слоя за слоем, на свет появляется смоделированный объект.

Помните, как в фильме «Москва слезам не верит» фанат от телевидения говорил? Скоро не будет ни театра, ни кино, будет только телевидение. Я тоже в шутку повторяю, что скоро не будет ни литья, ни штамповки, ни прессовки, будет один сплошной 3D-принтинг, — говорит «Известиям» научный руководитель инжинирингового центра прототипирования высокой сложности «Кинетика» НИТУ «МИСиС» Александр Громов. — Современные 3D-принтеры пока несовершенны, они похожи на самые первые принтеры для бумаги со стучащими каретками. Но когда эти принтеры дойдут до такого уровня, как сейчас принтеры для печати бумаги, тогда они действительно смогут напечатать всё.

И дает на «разгон» технологии лет десять. Пока масштабное применение 3D-печати в ведущих отечественных отраслях дороже традиционных технологий. Например, принтер по печати металлом стоит около €100 тыс., хотя китайский аналог уже в два раза дешевле, а некоторые принтеры для печати пластиковых деталей стоят уже несколько тысяч рублей.

Процесс печати на 3D-принтере в Центре технологической поддержки образования Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» в Москве

— У многих в Европе в гаражах стоят эти пластиковые принтеры. Зачем ехать за деталью, если можно ее напечатать! Те, кто более-менее с 3D-моделью разбираются, смогут это сделать, а когда-нибудь это будет так же просто, как работать с файлами Word, — говорит Александр Громов. — У каждой технологии есть период внедрения. Лазеры появились в конце 50-х годов прошлого столетия, а распространились повсеместно только сейчас. Почти 70 лет прошло. Аддитивные технологии появились примерно в 1990-х годах, так что нужно еще лет 10, 20, 30… Сейчас, конечно, всё быстрее, жизнь и наука ускоряются, так что в ближайшие 10 лет 3D-принтеры будут распространены повсеместно. Особенно интересно посмотреть, как это будет работать в космосе, на Луне. Привез с собой принтер, напечатал из лунного грунта всё — от ложки до дома и корабля, на котором полетит обратно. Удобно!

И, возможно, уже через пару десятков лет на вопрос «Какую одну вещь вы бы взяли с собой на необитаемый остров?» каждый ответит: «3D-принтер». А пока дела в России обстоят неплохо, но мы еще не в лидерах, хотя отечественный 3D-биопринтер тестируют на МКС, а в двигателе ПД-14 для гражданского лайнера МС-21 стоит напечатанная деталь. Готовимся запустить в космос ракету, в двигателе которой будет стоять напечатанная на принтере форсунка.

По аддитивным технологиям Китай, наверное, уже обогнал Америку и стоит на первом месте. Мы где-то на шестом-седьмом месте, то есть в десятке, но где-то на нижних позициях по одной простой причине: в Европе 3D-печать используют везде, а в России ее только-только начинают внедрять. Даже если где-то внедряется, то никто не расскажет, что у них на производстве стоит 3D-принтер: не хотят плодить конкурентов, — рассказывает «Известиям» член Ассоциации представителей отрасли аддитивных технологий (АПОАТ) Сергей Пушкин. — Почему в автомобиле и авиастроении практически не применяются аддитивные технологии? Потому что нет ГОСТов. Да, аддитивные технологии используются в промышленности, ВПК, но для создания прототипов.

Первый российский 3D-принтер для печати крупных металлических изделий в условиях невесомости, представленный на IV форуме молодых ученых U-NOVUS-2017 в Томске

И даже на фоне новостей, что в Петербурге запускают серийное производство промышленного 3D-принтера, серийное производство уже при помощи 3D-принтера, по мнению Сергея Пушкина, для интенсивного производства пока точно невозможно. Во-первых, долго: одна деталь может «расти» от нескольких часов до нескольких суток. Во-вторых, дорого, если попробуем ускорить процесс, закупив с десяток принтеров.

Смысл 3D-печати — в создании прототипа, — поясняет Сергей Пушкин. — Например, есть предприятие, которое производит корпус для электроники. Инженер чертит макет корпуса и отправляет его на производство. Через месяц ему возвращают корпус обратно из-за ошибки проекта. Перепроектировали, снова отправили на производство — опять ошибка. И так одну деталь можно разрабатывать год. А 3D-принтер напечатает деталь в зависимости от размера за один-два часа либо сутки-двое. Пока он печатает, инженер может заметить ошибку и перепроектировать. Сделал пластиковую деталь — запустил в производство, изготовили форму для литья. Сокращение сроков производства и финансовых расходов.

Дом, который построил не Джек

В 2017 году в Ступино вырос настоящий 3D-дом, целиком, а не по кирпичику напечатанный на принтере. Но прошла пара лет, и за это время кварталы напечатанных на 3D-принтере домов так и не появились, зато можно свободно купить строительный принтер. Правда, стоимость агрегата, который построит дом целиком, соизмерима по цене с обычным жильем — несколько миллионов рублей. Для личного пользования цена кусается, но как бизнес-идея вполне жизнеспособна.

Между прочим, мы лидеры в строительном 3D-принтинге, только об этом никто не говорит, — удивляет Сергей Пушкин. — У нас есть две компании, которые занимаются разработкой данных принтеров, их принтеры уже и Арабские Эмираты купили, и Дания, да вся Европа закупает. Одна компания только в России продала больше 60 принтеров. В Ярославле они построили дом, в котором живут люди.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector