3D біодрук – это относительно новое направление в развитии медицины, из’появился благодаря стремительному развитию аддитивних технологий. В наше время, многие ученые со всего мира работают над созданием многофункциональных біопринтерів, которые могли бы печатать работоспособные органы, такие как сердце, почки и печень.

3D біодрук – це технологія створення об’ємних моделей на клітинній основі з використанням 3D друку, при котором сохраняются функции и жизнеспособность клеток.

Первые принтеры для біодруку были далеко не совершенными. Для первых экспериментов ученые использовали обычные настольные струйные аппараты, модернизированные в рабочих условиях. В 2003 году Томас Боланд запатентовал технологию печати клетками. С этого момента печать органов на 3D принтере перестал казаться фантастикой.

Біопринтер стоимостью 200.000 $ был разработан в результате сотрудничества двух компаний: Organovo, которая находится в Сан Диего и специализируется на регенеративной медицине, и машиностроительной Invetech, расположенной в Мельбурне. Один из основателей Organovo, Габор Форжак, разработал прототип, на котором базируется новый 3D біопринтер. Компания Organovo использует технологию NovoGen MMX Bioprinter. Используемый Organovo 3D-принтер предназначен для изготовления тканей кожи, сердца, кровеносных сосудов и других тканей, которые могут быть пригодны для хирургии и трансплантации. Исследовательская группа из университета Суонси в Великобритании использует технологии 3D-біодруку для изготовления м’тканей и искусственных костей для возможного использования в восстановительной хирургии.

Принцип работы 3D біопринтера

Для создания органов и тканей на 3D принтере могут использоваться фоточувствительный гидрогель, порошковий наповнювач або спеціальна рідина. Гідрогель являє собою комбінацію з желатину, фибриногена, гиалуроновой кислоты и глицерина с достаточно высокой концентрацией живых клеток.

В зависимости от используемой машины, рабочий материал подается из диспенсера под видом постоянной струи или дозированными каплями. Такой подход используется для создания м’тканей с низкой плотностью клеток – искусственной кожи и хрящей. Костные импланты печатаются методом послойного наплавления из полимеров натурального происхождения.
Машина Organovo использует стволовые клетки, полученные из костного мозга. Из стволовых клеток можно получить любые другие клетки, используя различные факторы роста. 10-30 тысяч таких клеток формируются в маленькие капельки диаметром 100-500 микрон. Такие капельки хорошо сохраняют свою форму и прекрасно подходят для печати.

Первая печатающая головка фактически излагает капельки с клетками в нужном порядке. Вторая головка используется для распыления поддерживающей основы – гидрогеля на сахарной основе, который не взаимодействует и не прилипает к клеткам. Как только печать закончена, полученную структуру оставляют на один-два дня для того чтобы капли «сплавились» друг с другом. Для создания трубчатых структур, таких как кровеносные сосуды, сначала наносится гидрогель (внутри и снаружи будущей структуры). После этого добавляются клетки. Как только сформируется орган, гидрогель снимается с внешней части и извлекается из внутренней части.

Первый удачный эксперимент по созданию органов на 3D принтере состоялся в 2006 году. Группа біоінженерів из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine разработала и напечатала для семерых подопытных пациентов мочевые пузыри.

Врачи использовали стволовые клетки пациентов для создания искусственного органа. Образцы донорской ткани в специальной герметичной камере с помощью экструдера нанесли поверх макета мочевого пузыря, нагретого до естественной температуры человеческого тела. Через 6-8 недель в ходе интенсивного роста и последующего деления клетки воспроизвели человеческий орган, который был успешно трансплантовано.

Некоторые ученые утверждают, что уже сейчас можно печатать человеческие органы и ткани для трансплантологии, но необходимо подождать окончания тестов на животных, чтобы проверить, насколько крепкие и работоспособные воссозданы органы.

3D біодрук открывает невероятные возможности для медицины: уже имеющийся опыт печати образцов кожи, костей, хрящей, м’мышц, ушных раковин, кровоносих тканей, печени, тканей почек и нервной ткани.

До сих пор речь шла о больших біопринтерів в лабораториях. А вот австралийские ученые из университета Вуллонгонг подумали, почему бы не сделать портативный біопринтер, с помощью которого можно формировать нужные ткани непосредственно на живом человеке. В результате была создана 3D біоручка для печати стволовыми клетками. Она предназначена для проведения ортопедических операций по эндопротезированию суставов, в которых необходимо восстанавливать поврежденные хрящи и кости.

Сейчас ведутся разработки совершенствования біодруку ради достижения возможности воспроизводить ткани прямо на теле человека. Например, ученые стремятся научиться печатать кожу человеку с ожогами просто во время операции, а не пересаживать ей уже заранее приготовленный образец кожи. Также, некоторые ученые предполагают возможность печати тканей и органов прямо в человеческом теле! Но это еще до сих пор остается технологией будущего.