Наступило будущее! Сегодня некоторые органы уже можно создавать при помощи биопринтера. Мы расскажем, как функционирует технология биопринтинга и в каких сферах она находит применение.

Отец-основатель

Всё началось с человека по имени Чарльз (Чак) Халл. В 1983 году он работал инженером в компании Ultraviolet Products (UVP), занимая должность вице-президента по разработкам. Компания специализировалась на производстве ультрафиолетового оборудования и специальных светочувствительных полимеров. Эти полимеры, например, применялись вместо краски и наносились на поверхность мебели. Под воздействием ультрафиолетового излучения они затвердевали, превращаясь в прочный пластик.

Чак Халл задумался о возможности создания не просто однослойного покрытия, а сложной трехмерной структуры. Он предположил, что использование нескольких слоев полимера позволит изготавливать изделия любой формы и сложности, а компьютерное моделирование значительно расширит инженерные возможности.

Компания предоставила Халлу возможность проводить эксперименты в свободное от основных обязанностей время. По вечерам он работал в лаборатории, настраивал аппаратуру, выбирал полимерные материалы и разрабатывал программное обеспечение. В результате его трудов был создан прибор, использующий ультрафиолетовое излучение для создания объемных конструкций из фотополимера. Таким образом, появился первый 3D-принтер.

Халл сам скептически относился к практической ценности своей машины, называя ее “клудж” – технически исправный, но в сущности бесполезный предмет. Однако ситуация изменилась, когда Халл столкнулся с проблемой собственного изобретения. Первоначально он не мог обеспечить стабильность застывающей формы, но впоследствии синхронизировал работу компьютера и ультрафиолетовых ламп, что позволило получать сразу прочные изделия. После регистрации 3D-принтера его разработка получила широкое применение в различных сферах, включая медицину.

От простого к сложному

Впервые в истории мировой медицины, в 1999 году, человеку был пересажен орган, полученный благодаря применению 3D-технологий. Специалисты разработали трехмерный каркас мочевого пузыря из пластика и заселили его стволовыми клетками. В результате внутри пластикового каркаса сформировался орган, который успешно функционировал после трансплантации. Те же ученые смогли вырастить печень аналогичным способом, но ее пересадка пациенту не состоялась: технология находилась в зачаточном состоянии, и врачи не решились на подобную операцию.

Прошло еще несколько лет, и технологический прогресс позволил отказаться от пластиковых каркасов: органы стали печатать непосредственно на биопринтере. Прежде всего, на компьютере формируется трехмерная модель органа, после чего в принтер загружаются биочернила, состоящие из живых клеток и биоматериалов. После завершения печати орган помещается в биореактор, где он созревает и приобретает функциональность. Таким образом, изготавливались суставы, кости, сердечные клапаны, трахея и другие структуры. Однако более распространенной практикой является печать не целого органа, а отдельных фрагментов ткани, например, для ускорения заживления ран.

В настоящее время ведутся важные исследования по усовершенствованию биочернил. В их состав могут входить:

• альгинаты – полисахариды, получаемые из водорослей, они очень хорошо совместимы с тканями организма и не токсичны;
  
• коллаген;
• желатин – производное коллагена;
• гиалуроновая кислота;
• фибрин, волокна которого образуют сеть;
• собственные клетки органа.

По сути, биопринтер осуществляет печать живыми клетками на основе коллагеновой матрицы. В некоторых случаях клетки могут быть взяты непосредственно у пациента, но этот процесс оказывается затруднительным. Альтернативой является культивирование клеток из стволовых, например, когда речь идет о кардиомиоцитах.

Тонкая работа

В настоящее время ученые работают над технологией печати тканей непосредственно в месте проведения операции. Существуют микроскопические инструменты для эндоскопических вмешательств, поэтому возникает вопрос, почему бы не создать микробиопринтер? Он предназначен для печати необходимой ткани прямо в области повреждения, включая внутренние органы. К примеру, при операциях на кишечнике 3D-биопринтер сможет создавать здоровую ткань непосредственно в операционной, а манипулятор будет наносить ее на внутреннюю поверхность кишки. Это позволит ускорить процесс восстановления.

Печать органов и тканей применяется не только в целях трансплантации, но также, к примеру, для проведения тестов медикаментов. Согласно последней доступной информации, в Российской Федерации около пятнадцати организаций ведут разработки в области 3D-биопечати.