3D-биопринтинг

3D-биопринтинг


11.07.2019

Врач Владимир Миронов о возникновении технологии биопечати, этапах производства и перспективах использования биопринтеров в медицине.




Как создать цифровую модель органа? Что такое биочернила и как их создают? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Трехмерная биопечать — это одно из перспективных и новых направлений в биомедицине. Биопечать можно определить как роботическую послойную биопубликацию трехмерных тканей и органов из живых клеток и биоматериалов, в основном гидрогелей, согласно цифровой модели. Технология появилась два десятка лет назад. Сейчас уже существуют коммерческие компании, которые делают биопринтеры. Есть компании, которые делают небольшие ткани для тестирования лекарств и оценки токсичности. Есть общество, занимающееся биофабрикацией, а также около пяти журналов с названием «Биопечать». И главное, есть еще около двадцати учебников по этой дисциплине. В принципе, область сформирована.

Откуда взялась эта технология? Прежде всего, есть такое понятие, как тканевая инженерия: берутся живые клетки, добавляется поддержка (мы называем ее скаффолд — это временная удаляемая поддержка из биодеградируемых полимеров), после все это кладется в специальный резервуар, биореактор, и через какое-то время образуется ткань. Тканевая инженерия, хотя она уже существует больше тридцати лет, по сути метод, основанный на ручном производстве. Принципиальное отличие трехмерной биопечати заключается в том, что мы используем роботов, как правило, картезианского типа, которые двигаются в четырех направлениях: вверх, вниз, вправо, влево. Это позволяет перевести нашу технологию из лабораторий в индустриальные условия, то есть делать массовые производства стандартного размера, стандартной формы.

Технология биопечати похожа на технологию трехмерной печати. Принципиальное отличие заключается в том, что можно сначала напечатать construct (скаффолд), а потом посадить клетки. А в нашей технологии мы сразу одновременно печатаем и биоматериалы, и живые клетки. То есть, когда мы закончили процесс печати, у нас сразу образуется тканевой или органный construct. Технология биопечати также тесно связана с направлением, которое в 1980-х называли «быстрое прототипирование», а потом — «аддитивное производство» или «послойное производство»: поскольку мы находимся на Земле, где есть сила тяжести, обычно напечатать орган можно только послойно (layer by layer).

Есть три этапа в технологии биопечати. Они очень похожи на технологию послойного производства, или аддитивного manufacturing. Первый этап называется «препроцессинг», то есть для того, чтобы напечатать орган, нужно сначала создать его цифровую модель. Цифровая модель — это виртуальная презентация органа в компьютере в виде системы координат. Здесь используют специальные программы. Все делается так, чтобы можно было потом эту информацию обо всех структурах органа передать роботу, который будет ее считывать, а потом все печатать. Для того чтобы получить эту информацию, используется три подхода. Либо мы делаем серийные срезы и потом реконструкцию — вроде того, что Николай Пирогов делал, когда замораживал трупы и потом их резал. Сейчас это называется компьютерная томография. Можно получить трехмерное изображение сердца, легких и других органов у живого человека с помощью современных методов компьютерной томографии. Второй метод: надо делать серийные срезы на фиксированных образцах. Третий метод: зная, например, правила ветвления сосудов, какой угол ветвления, какое соотношение материнского и дочернего сегмента, можно создать трехмерную модель сосудистого дерева, а вокруг него сделать уже модель всего органа. Результатом является цифровая модель.

Второй этап — это собственно биопечать, процессинг. Мы используем отдельные клетки либо тканевые сфероиды — это плотно упакованные агрегаты клеток, а также биоматериал. В качестве биоматериалов мы используем гидрогели, потому что они должны быть сначала жидкими, чтобы можно было печатать, а потом должны сразу полимеризоваться. По окончании второго этапа — процессинга — мы получаем не органы и не ткани. Мы называем это «тканевые и органные конструкции». Для того чтобы они стали настоящими органами, надо пройти еще третий этап — постпроцессинг. Этот этап заключается в том, что происходит быстрое созревание, плотная упаковка, слияние клеток и тканей и их созревание. То есть они становятся по механическим и функциональным свойствам похожи на ткани.

Какое на данный момент состояние отрасли? Наша компания имеет пять основных достижений, так называемых верстовых камней (milestones). Первое — мы научились делать масштабное производство большого количества тканевых сфероидов, то есть клеточных агрегатов стандартной формы и размеров. У нас есть то, что мы называем строительными блоками. Мы эту технологию отработали, получаем большое количество сфероидов, все они стандартные, все они жизнеспособные, разного типа, разной сложности. Второе — мы создали первый в России отечественный трехмерный биопринтер, который назвали «Фабион»: от «фаб» — фабрикация и «био» — биология. Этот принтер входит в число пяти лучших мировых принтеров согласно независимому рейтингу. По критерию мультифункциональности, то есть количества функций, которые он может выполнить, мы считаем, что он один из лучших в мире. По крайней мере, печатать сфероиды могут только немцы, новозеландцы и мы. Причем те и другие пока не сделали принтеры, а только разрабатывают, а у нас уже работает система печати отдельными сфероидами.

Ссылка на оригинал: https://postnauka.ru