Печать органов человека на 3D-принтере и как это устроено | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 27 июля, печатный экземпляр отправим 31 июля.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Морозов Н. А., Яценко М. А., Петров М. А., Ермолаева В. В. Печать органов человека на 3D-принтере и как это устроено // Молодой ученый. — 2018. — №24. — С. 33-36. — URL https://moluch.ru/archive/210/51478/ (дата обращения: 15.07.2019).



В данной статье рассматриваются перспективы биопечати органов человека на 3D принтере в России и во всем мире. А также текущий уровень развития данной технологии и примеры ее применения.

Ключевые слова: 3D-печать, медицина, биопечать.

Понятие 3D-принтера

3D-принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Эта технология широко распространена в строительстве, робототехнике, а также в медицине, о которой и пойдет речь в данной статье.

Биопечать ичто это такое

Биопечать — это прогрессивный раздел медицины, который образовался в ходе стремительного развития аддитивных технологий.

От научной фантастики до научных фактов, 3D печатные органы пробиваются в мир медицины. Сначала идея 3D-печати органов для трансплантации «по требованию» звучит как нечто из фильмов. Однако машины, которые обещают регенерировать живую человеческую ткань, заменить жизненно важные органы и быстро залечить открытые раны, намного ближе к реальности, чем вы можете себе представить. 3D-печатные органы уже используются в качестве учебных пособий для будущих хирургов, чтобы настроить свои навыки перед входом в реальные чрезвычайные ситуации. 3D-печатные костные замены также были успешно пересажены, но живая ткань является следующим большим шагом для этой новаторской технологии. Как и любая другая 3D-печать, слои укладываются друг на друга, но вместо PLA или ABS живые клетки, подвешенные в геле, используются для «создания» живой ткани. Клетки после этого растут для того чтобы сформировать и превратиться в ткань, косточку и даже все органы. Обещание того, что эта технология может сделать для человечества, велико. Во всем мире наблюдается нехватка доноров органов и 3D-биопечать может решить эту проблему. Умирающие люди могут получить 3D-печатный орган, сделанный из их собственных клеток, а не ждать в длинных очередях. Такая футуристическая мечта по-прежнему далека от реальности, но университетские лаборатории и частные компании уже предприняли первые тщательные шаги, используя технологию 3D-печати для создания крошечных фрагментов органов.

Регенеративная медицина уже имплантировала лабораторно выращенную кожу, трахеи и пузыри пациентам — части тела, выращенные медленно через сочетание искусственных лесов и живых клеток человека. Для сравнения, технология 3D-печати предлагает как большую скорость, так и компьютерную точность печати живых клеток слой за слоем, чтобы сделать замену кожи, частей тела и, возможно, в конечном итоге органов, таких как сердца, печень и почки.

3D-биопринтинг.jpg

Рис. 1

В наше время ученые всей планеты усердно трудятся над разработкой многофункциональных принтеров, которые могут напечатать работоспособные органы, пригодные для пересадки людям, такие как почки, печень и даже сердце. Любопытно, что уже сегодня опытные образцы биопринтеров способны к печати костных и хрящевых имплантатов, а также к созданию сложных биологических продуктов питания, в состав которых входят всем известные белки, жиры, углеводы и витамины.

Путь от простого принтера квысокотехнологичной биомашине

Поначалу принтеры для биопечати находились далеко от совершенства. Во время первых опытов в этой области ученые использовали обыкновенные струйные аппараты, усовершенствованные в ходе работ.

В 2000-м году биоинженер Тoмас Бoланд, посредством сложных вычислений и модификаций, изменил настройки и характеристики настольных принтеров Lexmark и HP для печати фрагментов ДНК.

Стало известно, что параметры клеток человека сравнимы с размерами капли чернил в обычном принтере и достигают 10 микрон. Исследования выявили результат, что 90 % клеток сохраняют функции и жизнеспособность в процессе их создания на 3D-принтере.

Рис. 2. Т. Боланд

В 2003 г. Т. Боланд запатентовал технологию печати клетками. С того момента возможность печатать органы на 3D-принтере перестала быть чем-то фантастичным. За несколько десятилетий исследования в лабораторных условиях превратились в быстро развивающуюся индустрию, которая способна печатать ушные раковины, клапаны сердца, а также воссоздавать кожу и костные ткани для пересадки.

В 2007 г. биопечать стала обретать коммерческие очертания. Первоначально ученым удалось получить более $500000 на развитие технологии биопринтинга, но уже к 2011 году размеры инвестиций очень заметно выросли.

На сегодняшний день под общепринятым названием «3D-биопринтинг — это технология создания объемных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати» скрыты сразу много смежных технологий биопечати. Для воссоздания органов на 3D-принтере используются фоточувствительный гель, специальная жидкость или порошковый наполнитель.

В зависимости от используемого устройства, рабочий материал подается из диспенсера (устройство для выдачи чего-либо) под видом постоянной струи или дозированными каплями. Данный метод используется для создания мягких тканей с низкой плотностью клеток — штучной кожи и хрящей. Костные имплантаты печатаются посредством послойного наплавления из полимеров натурального происхождения.

От теории кпрактике 3D-биопечати

Самым первым удачным экспериментом по созданию органов на 3D принтере состоялся в 2006 году. Группа ученых из частного исследовательского университета “Уэйк Форест” в США разработала и напечатала для нескольких подопытных пациентов мочевые пузыри. Для создания этого искусственного органа врачи использовали стволовые клетки. Образцы донорской ткани в специально предназначенной герметичной камере с помощью экструдера (машина для размягчения материалов и придания им формы) нанесли поверх макета мочевого пузыря, нагретого до нормальной температуры человеческого тела 36.6°C. Через 6–8 недель в процессе интенсивного роста и последующего деления клетки воссоздали человеческий орган.

Печатью органов на 3D-принтере в больших объемах занимаются всего несколько больших компаний. Наибольших же успехов в этой области достигли инженеры американской компании “Organovo”, которые смогли напечатать печеночную ткань. В ноябре 2014 года мир взбудоражила новость о том, что специалисты компании из той же компании “Organovo” успешно напечатали печень на 3D-принтере. В этот раз американские ученые воссоздали рабочую человеческую ткань, которая может осуществлять свои биологические функции и жизнеспособность в течение 5 недель. Произведенный орган предназначался для тестирования лекарственных препаратов, однако изобретатели, надеются, что в обозримом будущем приспособят свое оборудование для создания донорских органов. Пока же фармацевтические компании используют полученный в лаборатории “Organovo” материал для испытания на практике экспериментальных фармацевтических образцов. Такая система для проведения тестов позволит производителям лекарств разрабатывать безопасные и менее токсичные антибиотики. В пресс-центре компании-производителя заявили, что в скором времени “Organovo” и ее партнеры собираются выйти на рынок трансплантатов. Биоинженеры уже смогли напечатать на 3D-принтере жизнеспособные почки, которые сохраняют свои биологические функции и жизнеспособность в течение двух недель. Также компания производит коммерческие почечные ткани — их покупают фармацевты для изучения инновационных медицинских составов. Биоткань получила своё название — “exVive3D tissue”.

В свою очередь, японская компания “CyFuse” трудилась над моделированием клеточных соединений при помощи сфероидов, нанизанных на микроскопические жезлы.

Ученые из стран СНГ не отстают от своих коллег из других стран. В России успешно завершились биологические исследования, которые проводились компанией “3Д Биопринтинг Солюшенс”. Биоинженеры смогли напечатать жизнеспособную 3D-модель щитовидной железы. Орган, напечатанный на принтере, благополучно пересадили подопытной мыши. В процессе эксперимента ученые использовали высокотехнологичный отечественный 3D-принтер “3DBio”.

Биопечать развивается с гораздо более высокими темпами, чем прогнозировали аналитики и эксперты. Тем не менее, используемые технологии всё ещё далеки от совершенства в отличие от медицинских имплантов. Инженеры научились создавать высокоточные модели и воспроизводить самые разнообразные элементы человеческого костного каркаса — штучные фаланги пальцев, тазобедренные суставы, детали грудной клетки. Костные имплантаты изготавливаются с помощью метода селективного лазерного спекания из нитинола (никелид титана) — высокопрочного материала, схожего по своему биохимическому составу с костной тканью. В ходе печатного процесса используются 3D модели, созданные благодаря компьютерной томографии.

Также не стоит забывать о протезах из полимеров. Эти протезы кистей нельзя назвать органами, зато простота, с которой нуждающиеся могут получить механизм, благодаря которому они способны вернуться к нормальному образу жизни, заслуживает большого внимания.

Заключение

В наше время высоких технологий и научных прорывов во всех направлениях. 3D-Биопринтинг находится на пике своего развития, и способен если не решить, то помочь справиться с множеством проблем по изучению строения внутренних органов человека и принципов их работы. А также значительно продвинуть исследования в области искусственных имплантов.

Литература:

  1. https://make-3d.ru
  2. https://ru.wikipedia.org
  3. http://www.3dprinterprices.net
Основные термины (генерируются автоматически): орган, ABS, Россия, принтер, компания, клетка, живая ткань, биопечать, PLA, часть тела.


Похожие статьи

Применение 3D-технологий в биопринтинге миокарда сердца

Технология 3D- биопечати с имплантацией (2013). Россия. Печать щитовидной железы (2015). США. Печать человеческих костей, частей рук и ног (2014).

Была создана трехмерная модель органа, конвертирована в специальный файл и передана на 3D-принтер, печатающий клетками.

3D принтер — технология будущего | Статья в журнале...

Эта же компания, CharlesHull разработала первый промышленный 3D принтер. И в 1988 году компания 3DSystem разработала 3D принтер для печати в

В данной статье рассматриваются перспективы биопечати органов человека на 3D принтере в России и во всем мире.

Исследование работы и области применения 3D принтера

Помимо этого, также стоит отметить, что 3Д принтеры способны к воспроизведению точной копии отдельных частей тела человека либо полностью всего скелета для

Возможность изготавливать живые органы в будущем даст большие возможности для медицинской отрасли.

Настольный 3D-принтер | Статья в журнале «Молодой ученый»

Печать органов человека на 3D-принтере и как это устроено. Как и любая другая 3D-печать, слои укладываются друг на друга, но вместо PLA или ABS живые клетки, подвешенные в геле, используются.

Биоэтические проблемы трансплантологии | Статья в журнале...

Ex vivo — пересадка органов и тканей происходит от живого донора.

(экспертизы) трупа, а также с донорством органов и тканей человека и их трансплантацией (пересадкой) [3]. То есть, завещать свое тело для трансплантации в Российской Федерации не является реальным.

Перспективы использования технологий 3D печати

Печатают, как правило, ABS и PLA пластиком.

Цикл повторяется до завершения формирования твердого тела внутри массива не полимеризованного порошкового материала.

3D Builder — разработка российской компании Picaso и является уже принтером...

Послойная трехмерная печать на основе полиамид-имида

Новые детали печатались из ABS-пластика методом FDM (послойная укладка.

Печать органов — роботизированное послойное построение трехмерных жизнеспособных. Основные термины (генерируются автоматически): лист, материал, печать, США, Россия...

Использование клеточных автоматов для моделирования...

Это позволит моделировать сложные процессы дифференциации клеток, развитие тканей и внутренних органов, иными словами, это обеспечит возможность моделирования более

Этот фермент обычно присутствует в цитоплазме живых клеток и выделяется в среду клеточной...

Перевозка крови и внутренних органов воздушным транспортом

Живые человеческие органы и кровь при их транспортировке обрабатываются в аэропорту как сверхсрочный груз.

Итак, доставка органов человеческого тела и крови — крайне сложный и интересный процесс, в современном мире находят способы совместить ускоренную доставку...

Похожие статьи

Применение 3D-технологий в биопринтинге миокарда сердца

Технология 3D- биопечати с имплантацией (2013). Россия. Печать щитовидной железы (2015). США. Печать человеческих костей, частей рук и ног (2014).

Была создана трехмерная модель органа, конвертирована в специальный файл и передана на 3D-принтер, печатающий клетками.

3D принтер — технология будущего | Статья в журнале...

Эта же компания, CharlesHull разработала первый промышленный 3D принтер. И в 1988 году компания 3DSystem разработала 3D принтер для печати в

В данной статье рассматриваются перспективы биопечати органов человека на 3D принтере в России и во всем мире.

Исследование работы и области применения 3D принтера

Помимо этого, также стоит отметить, что 3Д принтеры способны к воспроизведению точной копии отдельных частей тела человека либо полностью всего скелета для

Возможность изготавливать живые органы в будущем даст большие возможности для медицинской отрасли.

Настольный 3D-принтер | Статья в журнале «Молодой ученый»

Печать органов человека на 3D-принтере и как это устроено. Как и любая другая 3D-печать, слои укладываются друг на друга, но вместо PLA или ABS живые клетки, подвешенные в геле, используются.

Биоэтические проблемы трансплантологии | Статья в журнале...

Ex vivo — пересадка органов и тканей происходит от живого донора.

(экспертизы) трупа, а также с донорством органов и тканей человека и их трансплантацией (пересадкой) [3]. То есть, завещать свое тело для трансплантации в Российской Федерации не является реальным.

Перспективы использования технологий 3D печати

Печатают, как правило, ABS и PLA пластиком.

Цикл повторяется до завершения формирования твердого тела внутри массива не полимеризованного порошкового материала.

3D Builder — разработка российской компании Picaso и является уже принтером...

Послойная трехмерная печать на основе полиамид-имида

Новые детали печатались из ABS-пластика методом FDM (послойная укладка.

Печать органов — роботизированное послойное построение трехмерных жизнеспособных. Основные термины (генерируются автоматически): лист, материал, печать, США, Россия...

Использование клеточных автоматов для моделирования...

Это позволит моделировать сложные процессы дифференциации клеток, развитие тканей и внутренних органов, иными словами, это обеспечит возможность моделирования более

Этот фермент обычно присутствует в цитоплазме живых клеток и выделяется в среду клеточной...

Перевозка крови и внутренних органов воздушным транспортом

Живые человеческие органы и кровь при их транспортировке обрабатываются в аэропорту как сверхсрочный груз.

Итак, доставка органов человеческого тела и крови — крайне сложный и интересный процесс, в современном мире находят способы совместить ускоренную доставку...

Задать вопрос