Что включает в себя технология 3d биопринтинга для изготовления биологических конструкций

26.05.202201.06.2022 admin 0 Comments

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

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

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, 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

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.

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

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.

Биопринтеры 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

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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

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-биопринтеры в России

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:

Источник

Биопечать в 2020 году: технологии и принтеры

За последние несколько лет в 3D-печати произошел качественный скачок, аналогов которому не было в истории технологии. Исследователи из разных стран получили первые качественные результаты 3D-биопечати. Это означает скорое появление принципиально новых методов лечения. Например, вместо многомесячного ожидания донорских органов, необходимые ткани можно будет напечатать за несколько часов.

Чтобы узнать о самых неожиданных открытиях в области 3D-биопечати, которые стали реальностью к 2020 году, — читайте эту статью.

Содержание

Мировая карта биопечати

Биопечать в мире, Источник фото: 3dprint.com

Настоящая карта подготовлена он-лайн изданием 3DPrint.com – всемирно известным информационным ресурсом, специализирующимся на вопросах 3D-печати.

Биопечать в США, Источник фото: 3dprint.com

Здесь представлены практически все компании, занятые разработкой биопринтеров и биоинтерфейсов, – как признанные центры развития биопечати, так и стартапы, способные произвести революцию в создании машин и материалов следующего поколения.

Биопечать в Европе, Источник фото: 3dprint.com

Достижения биопечати в медицине

В 2019 году исследователи из разных стран достигли выдающихся результатов в сфере печати имплантов человеческих органов. Команда под руководством Университета Райса и Вашингтонского университета разработала инструмент для 3D-печати сложных и «изысканно запутанных» сосудистых сетей. Они имитируют естественные проходы организма для крови, воздуха, лимфы и других жидкостей, и они будут необходимы для создания искусственных органов.

Ученые из Университета Ньюкасла разработали технологию, которая позволяет печатать роговицу человека в лаборатории на 3D-принтере. Ученые используют глаз пациента для получения данных, необходимых для печати новой роговицы. Таким образом, роговица с биопечатью идеально сочетается по размеру и форме с оригинальной.

Сенсация – инженерия сердечной ткани от Университета Тель-Авива

Источник фото: 3dprint.com

В апреле 2019 специалистами Университета Тель-Авива была опубликована статья «3D печать персонализированных пригодных для перфузии кардиопластырей и сердец». Новостные агентства, не разобравшись в сути сообщения, разнести весть о том, что израильтяне научились печатать сердца, пригодные для имплантации. Действительность оказалась несколько скромнее.

Пока речь идёт лишь о том, что разработанная израильскими специалистами технология позволяет
1) из взятых у пациента тканей (что существенно — не обязательно сердечных) изготавливать биочернила, пригодные для печати;
2) печатать этим чернилами сердечную ткань – толстую и содержащую кровеносные сосуды, то есть пригодную для использования в качестве кардиопластыря при лечении сердца.

Кардиоплатыри уже печатаются, следующий шаг – печать полноценного сердца.

Источник фото: onlinelibrary.wiley.com

Данная технология обладает колоссальным потенциалом не только для лечения заболеваний сердца, но и для пересадки. Возможность напечатать новое сердце из тканей самого пациента не только избавляет от необходимости ожидания донора, но и является исчерпывающим решением всех проблем, связанных с биосовместимостью тканей и «подгонкой» нового органа под габариты тела.

Сенсация 2020 года — напечатанные куриные наггетсы KFC

Источник фото: techspot.com

В июле российское подразделение ресторанов быстрого питания KFC объявило о грядущем выпуске куриных наггетсов, выращенных в лаборатории по технологии биопечати. Техническое обеспечение для амбициозного проекта разработала российская компания 3D Bioprinting Solutions. В качестве строительного материала для напечатанного мяса будут использованы клетки курицы и растительное сырье. В случае успеха проекта будет решено множество проблем: от возможности создавать мясные продукты без ущерба для животных до снижения парникового следа в результате отказа от традиционного животноводства.

Принтеры и технологии

Инкубаторы клеток для биопринтеров Rokit

Новая разработка компании, Dr. INVIVO 4D6, — это инкубатор клеток. Устройство оснащено герметичной стерильной печатной камерой, где выращиваются клетки, которые впоследствии используются для регенерации тканей.

Технология Multimaterial Multinozzle 3D (MM3D) от института Висса

Источник фото: Институт им. Висса

Большинство коммерческих принтеров способны создавать объекты только из одного материала за раз, а струйные принтеры, способные к многокомпонентной печати, ограничены физикой образования капель. Экструзионная 3D-печать позволяет печатать широкую палитру материалов, но процесс очень медленный.

Теперь новая технология, называемая многослойной 3D-печатью (MM3D), разработана в Гарвардском институте им. Висса в кооперации со Школой инженерных и прикладных наук им. Полсона. В основе технологии – использование высокоскоростных клапанов высокого давления и форсунок, объединённых в 3D-печатающие головки, которые также изготавливаются с использованием 3D-печати. Каждая форсунка использует до восьми различных материалов, меняя их с частотой до 50 раз в секунду.

Чтобы продемонстрировать свою технику, исследователи напечатали структуру оригами Miura, состоящую из жестких панельных секций, соединенных очень гибкими шарнирными сочленениями. Предыдущие способы построения такой структуры требовали ручной сборки, а печатающая головка MM3D напечатала весь объект за один сеанс, используя восемь сопел для непрерывного выдавливания двух видов полимерных чернил с разной жесткостью.

Технология Sound-Induced Morphogenesis (SIM) от компании mimiX Biotherapeutics

Источник фото: mimixbio.com

Стартап mimiX biotherapeutics основан Марком Тёрнером, создателем известной компании regenHU, и призван коммерциализировать новую технологию биообработки под названием Sound Induced Morphogenesis (SIM). Основой технологии является процесс создания четко определенных биологических паттернов, которые самостоятельно собираются в функциональные ткани с помощью звуковых волн. SIM предлагает высокоэффективную стратегию создания плотных и организованных клеточных структур.

Биотерапевтические аппараты mimiX используют звуковые волны. Среда для культивирования клеток размещается на динамике определенного типа и, в зависимости от излучаемого звука и формы чашки, в ней образуются структуры различных форм – решетка, концентрические круги и т.д.

Источник фото: mimixbio.com

По словам Тёрнера, биопечать с использованием обычных систем дозирования хороша для научных исследований, но слишком сложна для клинического использования из-за проблем с масштабируемостью, длительностью и высокой сложностью процессов. Комплексы, использующие SIM, призваны радикально упростить и ускорить процедуру печати. Портативное устройство подойдёт для любого кабинета, а его дешевизна обеспечивает высокую доступность.

Биопринтер Biopixlar от компании Fluicell

Источник фото: Biopixlar

Шведская биотехнологическая компания Fluicell специализируется на разработке платформ для исследования поведения клеток. Представленная ею технология биопечати Biopixlar позволяет создавать сложные тканеподобные структуры, в которых позиционирование отдельных клеток можно контролировать с помощью геймпада – словно в видеоигре.

Biopixlar использует технику микроструй, которая позволяет контролировать материал на микроуровне, благодаря точности насоса или микроструйной трубки, когда дело доходит до направления потока биоматериала к месту печати. Имея точный контроль на микроуровне, системы естественным образом масштабируются до макроуровня и дают отпечатки с высоким разрешением. Кроме того, технология позволяет создавать многокомпонентные структуры, причём есть возможность создания материала в самом принтере, благодаря чему отпадает необходимости лабораторной подготовки материала. Микрожидкостная камера контролирует процесс смешивания различных материалов. В результате получается законченная трехмерная печатная структура – без использования гелей или каркасов.

Основными преимуществами технологиии Biopixlar являются:

Высокое разрешение оптической системы – вплоть до отдельных клеток.

Высокая выживаемость клеток – более 95% исходного количества.

Возможность создания мультиклеточных моделей. Можно размещать до трех различных типов клеток с помощью одной и той же печатающей головки. Изменяя печатающую головку, можно печатать новые типы ячеек.

Мониторинг в реальном времени. Есть возможность следить за процессом печати в режиме реального времени посредством системы многоцветной флуоресцентной визуализации.

Вследствие всего перечисленного, технология идеально подходит для обработки дефицитных материалов, таких как стволовые клетки, первичные клетки и образцы биопсии.

Биопринтеры от компании CELLINK

Источник фото: CELLINK

Шведская компания CELLINK развивает технологии биопечати для самых разнообразных отраслей – от медицины до косметологии. Разработки компании используются для печати печени, хрящей, тканей кожи и многого другого. В 2019-ом году компания представила два новых биопринтера – Bio X6 и Lumen X.

BIO X6 предназначен для изготовления конструкций с любым типом клеток, что позволяет производить любые ткани, найденные в организме. Компания утверждает, что с помощью этой новой разработки можно объединить больше материалов и инструментов и получить результаты быстрее чем когда-либо раньше.

Принтер объединяет шесть печатающих головок с запатентованной технологией чистой камеры CELLINK, двумя мощными вентиляторами, создающими избыточное давление воздуха внутри камеры и интеллектуальной технологией сменных головок. Пользователь имеет возможность комбинировать несколько материалов в одном отпечатке c архитектурой повышенной сложности.

Источник фото: CELLINK

Биопринтер Lumen X – результат сотрудничества CELLINK с американским стартапом Volumetric, который специализируется на разработке биопритнеров использующих технологию SLA. При скромных габаритах и стоимости принтер совмещает высокую производительность и высокую точность воспроизведения, что принципиально для формирования сосудистых структур.

Lumen X работает с биосовместимым синим светом, позволяя формировать сложные ветвления сосудов и сшивая слои в единую структуру в десятки раз быстрее любых других методов печати.

Биопринтер, создающий человеческие уши для пациентов с микротией

Источник фото: 3dprint.com

Команда из Университета Вуллонгонга (UOW), Австралия, разработала биопринтер 3D Alek, который воспроизводит человеческие уши для использования в реконструктивной хирургии. Основой для используемых принтером биочернил являются стволовые клетки.

Новая технология, по словам исследователей, приближает революционный переворот в лечении детей с микротией. Микротия – врождённый дефект, выражающийся в остановке развития наружного уха в течение первого триместра беременности. Лечение деформаций уха сопряжено со значительными трудностями, вызванными его специфической формой. Биопечать ушей представляется чрезвычайно перспективной, поскольку позволяет спроектировать ушной трансплантат в соответствии с формой лица пациента и произвести печать из его натуральных тканей. Всё это обеспечит сокращение времени работы и улучшение косметического результата, а также позволит избежать проблем, связанных с поиском донорского участка хряща.