Медицина и 3D-печать

3D-принтеры, вероятно, находятся в авангарде медицинской революции (1). Печатают протезы конечностей (2), кровеносные сосуды, зубы, челюсти, части костей и черепа. Мы все чаще слышим об экспериментах по печати тканей из живых клеток.

В открытии рассказывается о регенерации поврежденных деталей и замене изношенных частей корпуса на изготовленные по индивидуальному заказу в трех измерениях. Из милостей druku 3D Даже один из пингвинов из Варшавского зоопарка, получивший новый клюв, уже им воспользовался.

Несколько месяцев назад одному английскому пациенту после серьезной мотоциклетной аварии имплантировали кости черепа, изготовленные по 3D-технологии.

Мужчина вернул себе лицо. Аналогичная операция, также используемая трехмерная печать, была проведена в одной из польских больниц в Гливицах.

Поэтому медицинское 3D ближе, чем мы думаем. Прозрачный трехмерный имплантат черепа был имплантирован пациенту в Утрехте, Нидерланды.

Врачи решились на такое решение (3) потому, что женщина страдала чрезмерным увеличением толщины собственного черепа, достигавшим даже 5 см, что сдавливало мозг и начинало ему угрожать.

Хирурги, проводившие трансплантацию, говорят, что она прошла успешно. 3D техника была выбрана потому, что она позволяла создать голову, идеально подогнанную под размер головы пациента – ее изготовила специализированная компания из Австралии.

Недавно в Военно-морском госпитале в Гданьске была проведена операция пациенту, который жаловался на головные боли, вызванные закупоркой лобной пазухи. Мужчине было проведено несколько операций, которые, впрочем, не принесли улучшения, но оставили шрамы и спайки, что затруднило дальнейшее лечение.

Поэтому была изготовлена ​​трехмерная модель черепа пациента, на которой команда хирургов отрабатывала операцию. Благодаря этому впоследствии она прошла гладко. Также в Польше, в больнице в Бельско-Бяла, врачи обучали новому методу операции на клапане 3D модель сердцачто позволило им подготовиться к настоящей операции на сердце.

Такие упражнения отнюдь не новы. Три года назад лондонские хирурги готовились к операции по разделению сиамских близнецов. Он изначально помогал им в этом печатная модель систем крови детей, на которых проверяли процедуру разделения.

2. Протез руки, напечатанный на 3D-принтере

3. Кость черепа, напечатанная на 3D-принтере

Печать в медицине

3D-устройства позволяют получать пространственные структуры с беспрецедентной точностью. В случае биопринтингу специальный принтер, оснащенный двумя головками, производит объекты, очень похожие на природные структуры.

4. Слуховые аппараты анатомически адаптированы и напечатаны на 3D-принтере.

На одну из головок наносятся клетки, которые помещаются в специальный связующий материал – коллаген или гидрогель. Эта технология используется для печати костных замещающих имплантатов, которые используются у пациентов с травмами, для заполнения дефектов костной ткани, а также индивидуально подобранных анатомически поддерживающих устройств, например, слуховых аппаратов (4).

3D принтеры Их также можно использовать для создания моделей, поддерживающих реконструктивные процедуры, например, в случае трансплантации лица, впервые в Польше выполненной у 33-летнего пациента командой врачей реконструктивной и сосудистой хирургии Онкологического центра. в Гливицах.

Ключевым событием в истории 3D-печати в медицине стало получение мочевого пузыря по этой технологии.. Более 10 лет назад группа ученых под руководством Д. Энтони Атала из Института регенеративной медицины в США имплантировал пациенту увеличенный мочевой пузырь.

Строительные леса и биочернила

Часто считают, что когда мы, наконец, освоим технику трехмерной печати из живых клеток, это откроет новую эру в трансплантологии. Тогда исчезла бы проблема ожидания донора органов., поскольку соответствующую часть тела, печень или сердце можно напечатать, например, из собственных клеток пациента.

Также не было бы проблем с отторжением трансплантатов. Регенеративный 3D-печать клеток кожи позволит совершенно новые способы лечения повреждений кожи. В случае сильных ожогов вместо необратимых шрамов технология будет воссоздавать первоначальную поверхность кожи аналогично «оштукатуриванию» и «раскрашиванию» клетками.

Американская компания Organovo уже несколько месяцев известна тем, что печатает ткани печени (5). Он еще не предназначался для пересадки, только для исследовательских целей. Organovo также занимается экспериментальной печатью тканей легких и мышц.

Как «печатается» человеческая печень? Сначала у пациента берут клетки, которые могут воспроизводиться. Это могут быть стволовые клетки или клетки, взятые, например, при биопсии, которые затем размножаются в лаборатории. Затем, проще говоря, они загружаются в тонер, создавая так называемую био чернила.

5. Срез ткани печени, напечатанный Organovo.

Этот идет к принтеркоторый затем поочередно печатает слои клеток на основе «каркаса» из синтетического геля. После того, как все напечатано, ткани дают созреть, а затем удаляют гидрогель. Таким образом создаются протезы из натуральных тканей пациента.

В свою очередь, группа шотландских ученых, построивших прототип такого устройства, хочет «печатать» ткани и целые органы из живых клеток. Для укладки слоев живых клеток используется оригинальный клапаноподобный механизм. Созданная в шотландском Университете Хериота-Ватта, машина способна работать с каплями, содержащими всего пять клеток.

Они склеиваются в более крупные узловатые структуры с помощью специального «биотоплива». Как уверяют шотландцы, 99 процентов клеток в «печатных» структурах живы и вполне способны к дальнейшему нормальному функционированию. Научным центрам также удалось напечатать миниатюрную версию почки человека.

Исследователи из Университета Хуажонг в Китае использовали клетки, взятые из почек человека, смешанные с гидрогелем, богатым питательными веществами. Сам процесс XNUMXD-печати отличается от того, который используется для изготовления пластиковых изделий.

6. Патологические изменения в бычьей печени.

Клетки имеют тонкую структуру, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить их во время использования устройства для наслаивания. Вы также должны предоставить им место для роста.

Однако созданные таким методом минеры функционируют точно так же, как и наши человеческие — расщепляют токсины, участвуют в обмене веществ и выделяют жидкости.

Исследовательская группа из Оксфордского университета построила в 2013 году синтетический 3D-принтер ткани. Эти ткани представляют собой капли воды, окруженные слоями липидов.

По словам исследователей, методику можно использовать как средство доставки лекарств в организм или как наполнитель в поврежденных частях тела.

Как пояснил Габриэль Виллар, представитель Оксфордской группы, достижение заключается в синтетическом производстве структур, очень похожих на живые клетки. Липидные слои, разделяющие капли воды, с одной стороны проницаемы, а с другой — изолируют.

Аналогичным образом функционируют стенки живых клеток. 3д принтер, который удалось построить ученым, «расставляет» капли воды и липидов в нужные системы, насчитывающие до 35 тыс. капли. Напротив, ученым из Принстона понадобились только клетки коровьего происхождения, немного серебра и 3D-принтер для создания бионического уха.

Он способен не только принимать, но и передавать звуковые сигналы. Формовочный материал в 3D-принтере состоял из указанных коровьих клеток, смешанных с гелем. Клетки, нанесенные принтером, сопровождались частицами серебра, что помогло сформировать «ухо» нужной формы.

Полученная структура, усиленная серебром, мягкая и полупрозрачная. Кроме того, исследователи прикрепили к «уху» электрод, благодаря которому после подключения проводов можно передавать полученный звук на динамики.

Все, что вам нужно, это Kinect и немного нейлона.

Технологии трехмерной печати все еще развиваются. Недавно исследователи из Американского университета в Вашингтоне сообщили, что им удалось использовать звуковые волны для создания клеточных каркасов. Технология может оказаться прорывом для сложного на практике печать из живых клеток.

Этот метод появился случайно, когда ученые изучали процедуру, называемую гистотрипсией, которая состоит из мощных миллисекундных ультразвуковых импульсов, которые разрывают ткани, обычно раковые. Исследователи были удивлены тем, что осталось после этих обработок и после удаления поражений раковых клеток из бычьей печени.

7. Усиление ручной работы с помощью техники 3D-печати.

Волокнистое вещество оказалось идеальным каркасом для 3D-печати из живых клеток (6). С другой стороны, изобретение Джейка Эвилла, молодого новозеландца из Университета Виктории в Веллингтоне, показывает, что 3D-печать в медицине — это не только протезы и печать органов.

И что эта технология может значительно облегчить состояние людей, приговоренных к ригидности конечностей после переломов или растяжений. 3D печать довольно эстетичная «штукатурка» от Evill, называемая Cortex Cast (7), имеет сетчатую структуру, похожую на соты.

Один взгляд позволяет увидеть его преимущества по сравнению с классическими гипсовыми светильниками. Конечно, печать делается индивидуально, исходя из анатомии конечностей пациента. Интересна и техника изготовления этого «гипса». Эвилл использовал свой собственный комплект X-Box Kinect в качестве XNUMXD-сканера для своей руки, которая ранее была сломана.

Агония от ношения обычного гипса была главным импульсом изобретения. Молодой человек отправил воображаемую модель в компанию Shapeways, занимающуюся 3D печать, с просьбой создать дизайнерское усиление из нейлонового материала. С учетом стоимости доставки он заплатил за нее 80 долларов.