3D-біопринтери: друк людських органів та тканин

3D біодрук – це відносно новий напрямок в розвитку медицини, який з’явився завдяки стрімкому розвитку аддитивних технологій. У наш час, багато вчених з усього світу працюють над створенням багатофункціональних біопринтерів, які могли б друкувати працездатні органи, такі як серце, нирки та печінка.

3D біодрук – це технологія створення об’ємних моделей на клітинній основі з використанням 3D друку, при якому зберігаються функції і життєздатність клітин.

Перші принтери для біодруку були далеко не досконалими. Для перших експериментів вчені використовували звичайні настільні струменеві апарати, модернізовані в робочих умовах. У 2003 році Томас Боланд запатентував технологію друку клітинами. З цього моменту друк органів на 3D принтері перестав здаватися фантастикою.

Біопринтер вартістю 200.000 $ був розроблений в результаті співпраці двох компаній: Organovo, яка знаходиться в Сан Дієго і спеціалізується на регенеративній медицині, і машинобудівної Invetech, розташованої в Мельбурні. Один із засновників Organovo, Габор Форжак, розробив прототип, на якому базується новий 3D біопринтер. Компанія Organovo використовує технологію NovoGen MMX Bioprinter. Використовуваний Organovo 3D-принтер призначений для виготовлення тканин шкіри, серця, кровоносних судин і інших тканин, які можуть бути придатні для хірургії і трансплантації. Дослідницька група з університету Суонсі в Великобританії використовує технології 3D-біодруку для виготовлення м’яких тканин і штучних кісток для можливого використання в відновлювальній хірургії.

Принцип роботи 3D біопринтера

Для створення органів та тканин на 3D принтері можуть використовуватися фоточутливий гідрогель, порошковий наповнювач або спеціальна рідина. Гідрогель являє собою комбінацію з желатину, фібриногену, гіалуронової кислоти і гліцерину з досить високою концентрацією живих клітин.

Залежно від використовуваної машини, робочий матеріал подається з диспенсера під виглядом постійної струменя або дозованими крапельками. Такий підхід використовується для створення м’яких тканин з низькою щільністю клітин – штучної шкіри і хрящів. Кісткові імпланти друкуються методом пошарового наплавлення з полімерів натурального походження.
Машина Organovo використовує стовбурові клітини, отримані з кісткового мозку. З стовбурових клітин можна отримати будь-які інші клітини, використовуючи різні фактори росту. 10-30 тисяч таких клітин формуються в маленькі крапельки діаметром 100-500 мікрон. Такі крапельки добре зберігають свою форму і прекрасно підходять для друку.

Перша друкуюча голівка фактично викладає крапельки з клітинами в потрібному порядку. Друга голівка використовується для розпилення підтримуючої основи – гідрогелю на цукровій основі, який не взаємодіє і не прилипає до клітин. Як тільки друк закінчено, отриману структуру залишають на один-два дні для того щоб краплі «сплавилися» один з одним. Для створення трубчастих структур, таких як кровоносні судини, спочатку наноситься гідрогель (всередині і зовні майбутньої структури). Після цього додаються клітини. Як тільки сформується орган, гідрогель знімається з зовнішньої частини і витягується з внутрішньої частини.

Перший вдалий експеримент зі створення органів на 3D принтері відбувся в 2006 році. Група біоінженерів з Wake Forest Institute for Regenerative Medicine розробила і надрукувала для сімох піддослідних пацієнтів сечові міхури.

Лікарі використовували стовбурові клітини пацієнтів для створення штучного органу. Зразки донорської тканини в спеціальній герметичній камері за допомогою екструдера нанесли поверх макета сечового міхура, нагрітого до природної температури людського тіла. Через 6-8 тижнів у ході інтенсивного зростання і подальшого поділу клітини відтворили людський орган, який було успішно трансплантовано.

Деякі вчені стверджують, що вже зараз можна друкувати людські органи та тканини для трансплантології, але необхідно почекати закінчення тестів на тваринах, щоб перевірити, наскільки міцні та працездатні відтворені органи.

3D біодрук відкриває неймовірні можливості для медицини: вже наявний досвід друку зразків шкіри, кісток, хрящів, м’язів, вушних раковин, кровоносих тканин, печінки, тканин нирок та нервової тканини.

Досі мова йшла про використання великих біопринтерів в лабораторіях. А ось австралійські вчені з університету Вуллонгонг подумали, чому б не зробити портативний біопринтер, за допомогою якого можна формувати потрібні тканини безпосередньо на живій людині. В результаті була створена 3D біоручка для друку стовбуровими клітинами. Вона призначена для здійснення ортопедичних операцій по ендопротезуванню суглобів, в яких необхідно відновлювати пошкоджені хрящі та кістки.

Наразі ведуться розробки вдосконалення біодруку заради досягнення можливості відтворювати тканини прямо на тілі людини. Наприклад, вчені прагнуть навчитися друкувати шкіру людині з опіками просто під час операції, а не пересаджувати їй вже заздалегідь приготований зразок шкіри. Також, деякі вчені припускають можливість друку тканин та органів прямо в людському тілі! Але це ще досі залишається технологією майбутнього.