Развитие рынка 3D-биопринтинга: успехи и достижения

3D-биопринтинг – передовые технологии, спасающие жизни и помогающие создавать новые лекарства. В чем особенность и сложность разработок, кто ими занимается и какие успехи уже сделаны – об этом пойдет речь в материале. Также ознакомимся ко всеми методами биопечати, известными на сегодняшний день.

Как печатают биопринтеры и что такое 3D-биопринтинг

процесс биопринтинга

3D-биопринтинг – это создание объемных моделей при помощи биоматериала, который включает живые клетки. Он используется для воспроизведения сложных структур, таких как кожаные ткани или кровеносные сосуды.

Клетки для создания модели берутся у пациента и культивируются до тех пор, пока их масса станет достаточной для создания биочернил. Полученные чернила загружаются в принтер, на котором печатается нужная модель.

Получение достаточного количества клеток возможно не всегда, поэтому на помощь приходят морские водоросли или свиной коллагеновый белок. Также применяются стволовые клетки, у которых есть свойство становиться любой клеткой в организме.

Первый биологический 3D-принтер

внешний вид первого 3d-принтера

Первый серийный биопринтер был выпущен американской компанией Organovo к концу 2009 года. Ее промышленным партнером стала австралийская компания Invetech. Благодаря совместным усилиям и появился на свет агрегат, который в 2010 году напечатал первый полноценный кровеносный сосуд.

Представители Organovo решили отойти от идеи выращивания органов в пробирке и предположили, что напечатать его будет куда более эффективнее. Они придумали технологию NovoGen, которая регламентировала все взаимодействия между биологической составляющей процесса и ее механической частью. Для реализации идеи привлекалась компания Invetech. В результате сотрудничества получился компактный прибор с интуитивно понятным интерфейсом.

Принтер имел две печатающие головки. Одна наполнялась нужным биоматериалом, вторая – вспомогательными компонентами (коллаген, поддерживающий гидрогель, факторы роста). Точность печати доходила до микрометров, что играло важную роль в правильном размещении клеток.

Технологии 3D-биопринтинга

Есть несколько технологий и подходов, разрабатываемых и применяемых в области биопечати. Над каждой из них трудятся ученые и научные сотрудники частных компаний и институтов.

Технология Multimaterial Multinozzle 3D (MM3D), институт Висса

технология печати

Технология, разработанная в институте, основана на использовании быстро передвигающихся клапанов высокого давления. Применяемый метод дает возможность переключаться между материалами до 50 раз в секунду. Такая скорость быстрее, чем можно зафиксировать невооруженным взглядом.

Сами печатные головки воспроизводятся на 3D-принтере, поэтому их конструкцию легко подогнать под конкретный запрос.

Технология подходит для изготовления сложных объектов, в том числе подвижных роботов. Метод существенно ускоряет создание сложных моделей, потому что печатные головки могут использовать сразу несколько сопел.

Технология Sound-Induced Morphogenesis (SIM), компания mimiX Biotherapeutics

внешний вид аппарата

Швейцарская технология основана на воспроизведении детально определенных биологических паттернов, которые при помощи звуковых волн самостоятельно компонуются в функциональные ткани. Метод воплощает в высшей степени эффективную последовательность воспроизведения организованных и плотных клеточных структур.

Приборы mimiX, работающие по принципу технологии, применяют волны звука. Пространство для взращивания клеток формируется вокруг динамика заданного типа. В зависимости от формы чашки и издаваемого звука образуются разные по форме структуры, к примеру, решетки.

формирование структуры

Создание подобного метода служит для важной цели – доступность и скорость воспроизведения, которую можно осуществить в любом помещении. До изобретения SIM биопечать была доступна для проведения научных исследований. Для клинических она стала слишком сложна и длительна. Теперь это изменилось.

Биопринтер Biopixlar, компания Fluicell

Биопринтер Biopixlar

Фирма Fluicell, базирующаяся в Швеции, в своей деятельности сосредоточена на создании платформ для изучения поведения клеток. Ее метод работы дает возможность делать сложные структуры, имитирующие ткань, в которых расположение отдельно взятых клеток управляется геймпадом. Рабочий процесс похож на видеоигру.

Компания применяет технику микроструй. Благодаря микроструйной трубке и точности насоса во время направления биоматериала в зону печати она дает контроль над материалом на микроуровне. Из-за этого системы масштабируются до макроуровня естественным образом. Получаются отпечатки высокого разрешения.

Метод дает возможность воспроизводить многокомпонентные структуры, при этом материал можно создавать в самом принтере. Такой подход убирает необходимость в его лабораторной подготовке. Ход смешивания разных материалов контролируется в микрожидкостной камере. По итогу получается трехмерная печатная законченная структура, для создания которой не использовались гели и каркасы.

Технические возможности этого метода делают его идеальным для обработки дефицитных материалов, среди которых образцы биопсии, стволовые и первичные клетки.

Биопринтер компании CELLINK

CELLINK – шведская фирма, занимающаяся разработкой биопечатных технологий для применения в разных областях, в том числе в косметологии и медицине. Принципы, сгенерированные организацией, работают над созданием тканей кожи, хрящей, печени и других изделий.

В 2019 году производителем на рынок было выпущено две модели биопринтеров – Bio X6 и Lumen X. Первый заточен под создание конструкций с любым типом клеток. С его помощью можно воспроизводить любые ткани, обнаруженные в организме. Компания делает акцент на быстрый результат и объединение большого количества материалов.

В принтере Bio X6 встроено 6 печатающих головок с технологией чистой камеры CELLINK. Он оснащен умным методом сменных головок и двумя мощными вентиляторами для создания избыточного давления воздуха внутри камеры. Пользователь получает возможность совмещать несколько материалов в одном отпечатке со структурой повышенной сложности.

Второй агрегат Lumen X – результат совместной работы с американской компанией Volumetric. Это стартап, сконцентрированный на создании биопринтеров с применением технологии SLA. Аппарат имеет небольшую стоимость и скромные габариты. При этом в нем присутствует высокая точность печати и отличная производительность. Такие характеристики особенно важны для создания сосудистых структур. Lumen X справляется с работой в 10 раз быстрее, чем его конкуренты в одинаковых условиях.

Биопринтер для пациентов с микротией, создающий человеческие уши, Университет Вуллонгонга

Биопринтер для пациентов с микротией

Миктория – врожденный дефект, связанный с остановкой развития наружного уха. Он обнаруживается во время беременности. Поскольку структура уха имеет специфическую форму, лечение его деформации вызывает серьезные затруднения. По словам создателей биопринтера, новая технология подводит к революционному перевороту в помощи детям с микротией.

Австралийский Университет Вуллонгонга создал принтер 3D Alek. Он печатает человеческие уши для дальнейшего применения в реконструктивной хирургии. В качестве основы для биочернил выступают стволовые клетки. Создание ушей на биопринтере выглядит очень перспективным, поскольку метод позволяет сконструировать трансплантат по форме лица пациента и сделать это в достаточно короткие сроки. Технология исключает поиск доноров для взятия участка хряща, работа основана на использовании натуральных тканей пациента.

Биочернила

Производители занимаются не только разработкой технологии и конструкции печатающих аппаратов, но и материалов, с помощью которых можно создавать сложные структуры и целые органы.

Чернила для ткани печени Allevi

биочернилы для печени

Сложность воспроизведения печени заключается в том, что она имеет множество важных для жизни функций. Их насчитывается более пятисот. Малое количество производителей способно создать биочернила для печени, которые будут отвечать всем необходимым условиям.

Американская компания Allevi – одна из таких компаний. Препарат, который дает возможность воспроизвести тканеподобные структуры, повторяющие естественные характеристики тканей можно свободно приобрести через интернет-магазин Allevi.

Синтетические биочернила Biogelx

синтетические биочернилы

Biogelx – фирма из Шотландии. Она базируется в лаборатории Университета Стратклайда в Глазго. Направление фирмы – исследование и создание искусственных материалов для биопринтинга.

Гидрогелевые чернила имеют уникальную химическую и физическую изменяемость. Она позволяет точно воссоздавать самые разные параметры тканей. В итоге клетки получают возможность взаимодействовать в почти естественной среде.

Чернила помогают клеткам поддержать жизнеспособность. Они предоставляют простую технику сшивки и контроль над вязкостью, а также гарантируют высокую степень воспроизводимости. За счет своих положительных технических способностей материал совместим с широкой линейкой 3D-биопринтеров.

Гидрогель c минеральными наночастицами, Техасский университет

гидрогель

Американская разработка от сотрудников Техасского университета (TAMU). Ученые создали материал в форме гидрогеля. В нем содержатся минеральные наночастицы. Они имеют свойство проводить белковые препараты для контроля над поведением клеток. Чернила подобного рода помогают в области создания тканей, содержащих сосуды.

Разработчики занимались созданием гидрогелевых биочернил на основе инертного полимера ПЭГ (полиэтиленгликоля). Печать подобными чернилами затруднена его низким уровнем вязкости. В ходе исследований выяснилось, что силикатные наночастицы эффективно повышают степень вязкости, при этом почти не меняют остальные технические параметры печатного материала. Таким образом работники TAMU создали новый класс гидрогелей.

Биочернила для печати искусственной кожи, Политехнический институт Ренселлера

процесс печати кожи

Производство качественной имитации кожи после получения ожоговых и иных ран на протяжении многих лет занимает умы биоинженеров. Существует 2 способа лечения серьезных кожных повреждений. Первый заключается в использовании аутологичных кожных трансплантатов. У пациента берутся участки здоровой ткани и пересаживаются на поврежденные зоны, при этом образовываются свежие раны и в целом процедура достаточно неприятна и болезненна.

Второй метод состоит в использовании заменителей кожных покровов, произведенных из посторонних материалов, к примеру, бычьего коллагена. Подобные имитации не до конца перекрывают глубокие раны и сильно отличаются от натуральной кожи.

Технология воссоздания кожной ткани от совместной деятельности Политехнического института Rensselaer (RPI) и Йельского университета прочит революционный поворот в вопросе трансплантации кожи. Они создали биочернила с применением живых человеческих клеток. Материал помогает в воспроизведении искусственной кожи, которая в дальнейшем сама воссоздает систему кровеносных сосудов.

3D Bioprinting Solutions

компания биопринтинг солюшенс

3D Bioprinting Solutions – единственная организация из России, занимающаяся биопечатью. Компания основана в 2013 году. Одним из соучредителей выступил сооснователь ИНВИТРО – Александр Островский. Его специальность – врач-реаниматолог.

В 2014-м лаборатория представила первый биопринтер, сделанный в России. Он получил имя FABION. По перечню использования разных печатных материалов это устройство выступает одним из лидеров в области многофункциональных аппаратов.

В начале 2015 года компания создала и успешно пересадила органный конструкт щитовидной железы мыши. В 2016-м исследователи произвели печатающую головку, которая может автоматически подавать тканевые сфероиды для 3D-биопечати. Разработка была применена в новой версии аппарата – FABION-2.

FABION-2

После выпуска обновленной версии устройства специалисты компании сконцентрировались на создании принтера, применяющего новую методологию работы, отличную от предыдущих решений. Ею стал принцип магнитной левитации и способность микротканей производить самосборку из тканевых сфероидов. Полностью функционирующий магнитный агрегат увидел свет к весне 2017 года.

В конце лета 2017-го началось сотрудничество с государственной компанией «Роскосмос». Лаборатория заключила контракт об осуществлении космического эксперимента по биофабрикации на борту российской части МКС. Ученые приступили к разработке принтера «Орган.Авт», способного к работе в невесомости.

Эксперимент «Магнитный биопринтер» стартовал в конце 2018 года. В его ходе были напечатаны модели костной и хрящевой ткани человека, а также мышиной щитовидной железы. Для проведения работы члены экипажа «Союз МС-11» прошли соответствующую подготовку в лаборатории 3D Bioprinting Solutions.

Помимо биопринтеров, компанией разработана линейка многофункциональных продуктов из коллагена – Висколл. Она подходит для применения в любом 3D-биопринтере. Биочернила применяются для широкого круга экспериментов в сфере биофабрикации. Продукт представляет собой концентрированный раствор коллагена первого типа высшей степени очистки. Он сразу готов к применению.

Что печатают на 3D-биопринтерах?

Печать органов

процес печати

Печать полностью функциональных сложных внутренних органов пока что невозможна, хотя в этой области ведутся непрерывные исследования. К примеру, мочевой пузырь уже удалось воспроизвести. Случилось это в 2013 году в США (Университет Уэйк Форест).

Ученые извлекли исходный материал из плохо работающего органа пациента, взрастили их и добавили питательные компоненты. Далее они воспроизвели форму мочевого пузыря по параметрам пациента и пропитанные через нее культивируемые клетки. Модель поместили в инкубатор, довели до необходимой кондиции и трансплантировали человеку. С течением времени она разрушилась, на ее месте остался полностью органический материал.

Та же команда произвела жизнеспособные уретры. Непрерывно ведутся исследования и совершаются прорывы в создании почек, печени и сердца.

Печать тканей и сосудов

распечатанные сосуды

Тело человека пронизывают десятки тысяч километров капилляров, артерий и вен. Со временем они изнашиваются, и ученые ведут исследования над возможностью их полноценной замены. Создание частей тела на биопринтере невозможно без воспроизведения жизнеспособных кровеносных сосудов. Технологии позволяют создать материалы, спроектированные для дальнейшего благоприятного самостоятельного развития сосудов.

Хирургическая практика

хирург с оборудованием

Хирурги получили возможность проходить практику по проведению операций на органах и тканях, выглядящих на 100 % реально. Это происходит как при помощи виртуального создания прототипов, так и с применением печатных 3D-моделей.

Проверка новых лекарств

процесс работы аппарата

Ткани, воссозданные на биопринтере, имеют несколько типов клеток с разной плотностью, а также с ключевыми архитектурными особенностями. Это дает возможность проводить исследования воздействия заболеваний на организм, а также прорабатывать разные способы лечения.

Где печатают?

Организации, которые предлагают печать органов или занимаются продажей биопринтеров:

  • 3D Bioprinting Solutions – Россия, Москва. Специализируется на бескаркасной печати, создала два принтера – FABION и FABION-2. Разрабатывает свой метод органопринтинга.
  • Organovo – США, Сан-Диего. Производит и продает ткани печени фармацевтическим компаниям. В 2009 году выпустили первый серийный биопечатный принтер – Novogen.
  • BioBots – США, Луисвилль. Стартап, представивший в 2013 году дешевый биопринтер для коммерческого применения. В доступе BioBot BASIC. Ведется работа над второй версией устройства.
  • Cyfuse Biomedical – Япония, Токио. Компания произвела биопринтер Regenovo, на котором можно создавать ткани кожи и выращивать сосуды.

3D-биопринтеры в России

устройство для биопечати

Пока что устройства для биопечати в России представлены только одной компанией, созданной сооснователем сети ИНВИТРО – 3D Bioprinting Solutions. Проходящие исследования на российской части МСК в условиях невесомости вселяют в исследователей надежду, что будут получены уникальные данные, на основе которых станут разрабатываться новые лекарства.

Ученые также с оптимизмом смотрят на создание функциональных сложных органов человеческого организма, говоря о том, что они появятся уже в текущем столетии.

Развивающиеся технологии в области биопринтинга дают возможность сделать следующие выводы:

  • Передовыми разработками занимаются ученые по всему миру.
  • В области биопринтинга постоянно делаются серьезные успехи.
  • Новые технологии спасают жизни, врачи уже успешно создают и трансплантируют отдельные органы и ткани в организм человека.
  • Доступность печати все еще остается под вопросом. Не каждый может ее себе позволить и далеко не всегда она помогает полноценно заменить плохо функционирующую часть тела.
  • Создание таких сложных полноценных органов как сердце, печень, мозг еще впереди.

  • 05 мая 2020
  • 85

Комментарии

  • Ещё никто не оставил отзывов к записи.

Написать комментарий

Оцените статью

Подпишитесь
на полезные статьи

Читайте также