Кровеносные сосуды 3d принтер

Сердечно-сосудистые заболевания демонстрируют глобальный охват социума, показывают радикальное влияние по сравнению с другими видами болезней. Именно этот вид заболеваний претендует на первое место по количеству унесённых жизней во всем мире (согласно статистике, около трети всех смертельных исходов). В течение последнего столетия биологи настойчиво экспериментируют с материалами синтетического происхождения. Пытаются найти замену безнадежно поврежденным или забитым кровеносным сосудам. Однако до сего дня так и не удалось изыскать подход, гарантирующий такую же работу, как это делает натуральная ткань. И всё же появились несколько интересных исследований, таких как трехмерная печать кровеносных сосудов, на которые обратили внимание.

Причины повреждения кровеносных сосудов

Сгустки крови и остатки жиров в виде бляшек на стенках кровеносных сосудов, способны препятствовать или полностью блокировать кровоток, увеличивать давление внутри сосудистой системы.

Эти факторы лишают оптимального объёма кислорода и питательных веществ, необходимых для клеток тканей и органов всего организма. Со временем риск сердечных заболеваний возрастает. Среди них лидируют:

• сердечный приступ,
• инсульт,
• хронически истощающие осложнения.

Кардиологи делают ставку на профилактические меры, основанные на здоровом образе жизни. Нужно отметить — не без успехов. Однако для большой части людей такие методы видятся уже запоздалыми.

Кровеносные сосуды нормальный и повреждённый: 1 — стенка нормального органа; 2 — стенка повреждённого органа; 3 — внутри нормального органа; 4 — внутри повреждённого органа

Опять же статистикой фиксируется более 150 миллионов случаев за год, требующих операции или внедрения сосудистых имплантов для восстановления нормы кровотока к жизненно важным органам и конечностям.

Но подобные методы лечения имеют свои осложнения и риски. Вот почему инженеры-биологи потратили десятилетия на изучение способов создания лабораторных конструкций, обладающих физическими свойствами и биологической функциональностью, характерными для здоровых кровеносных сосудов.

События, предшествующие развитию 3D печати органов

Начало практики внедрения искусственных органов отмечается ещё Первой мировой войной. Тогда эксперименты по  трансплантации органов проводил Алексис Каррел, получивший за это Нобелевскую премию.

Французский хирург, позже изменивший свои взгляды в пользу продвижения Евгеники, создавал искусственные сосуды, применяя материалы:

• стекло,
• алюминий,
• пластик,
• резину,
• другие.

В конечном итоге на практике стали пользоваться прочными биологически совместимыми тканями из полимерных волокон, подобных тефлону и дакрону.

Эти материалы обычно использовались для сращивания секций артерий и для изготовления искусственных клапанов сердца и стентов.

Биологически совместимые полимерные волокна уже долгое время применяются в медицине. Но трёхмерная печать органов грозит вытеснить этот вариант

Тем не менее, несмотря на успешное использование этих материалов в крупных и мелких сложных сосудистых структурах, дорогостоящие трудоемкие подходы не позволяют делать кровеносные сосуды, которые полностью интегрируются в собственную систему организма человека.

Безоблачная перспектива 3D печати органов

Похоже, темпы прогресса обещают рост только по мере развития технологии 3D-биопринтинга. Последние исследования ученых совместно с инженерами биологами привели к некоему прорыву — печати жизненно важных сосудистых тканей.

Как показали испытания, транспортировка крови через напечатанные сосуды проходит более безопасно и эффективно, чем в случаях с ранними проектами.

Эти «скромные» успехи свидетельствуют о том, что сделан важный шаг к заветной цели – созданию синтетических органов методом 3D-биопринтинга.

Так, команда китайской биотехнологической фирмы «Sichuan Revotek» разработала технологию печати с использованием аутологичных стволовых клеток для производства искусственных кровеносных сосудов, практически аналогичных натуральным.

Биопринтер 3D печати: 1 — светодиодная подсветка; 2 — рука робота; 3 — видео камера; 4 — рабочий орган робота; 5 — разъём технический; 6 — встроенный графический интерфейс; 7 — хранилище шприцев; 8 — рабочий постамент

Технология использует запатентованные биологические чернила «Revotek Biosynsphere». Чернила содержат стволовые клетки, полученные из жировой ткани животных, а также различные питательные вещества и синтезаторы роста.

Полученный материал был испытан на 30 обезьянах, у которых заменяли 2-сантиметровый кусок брюшной артерии.

В организме обезьян стволовые клетки превратились в соответствующие сосудистые клетки в течение нескольких дней и через месяц функционировали точно так же, как это делают исходные кровеносные сосуды.

Эта методика действительно видится шагом вперёд, поскольку биологические чернила обладают уникальной способностью к воспроизводству коллагена, что стимулирует ткани развиваться в разных формах.

Использование собственных клеток пациента на производство компонентов чернил для стволовых клеток может привести к созданию недорогих инженерных тканей, совместимых с телом пациента, не отторгаемых натуральной материей.

Продукты искусственной печати на уровне природных

Калифорнийский университет Сан-Диего, где практикуются нано-технологии, уже обладает трехмерной печатью реалистичных функциональных кровеносных сосудов.

Используется специальный метод, который ранее использовался для создания микроскопических рыбоподобных структур для очистки токсинов в кровотоке.

Принтер трёхмерной печати кровеносных сосудов и других органов, разработанный и построенный на базе Калифорнийского университета в Сан-Диего

Именно на базе университета успешно напечатаны первые сложные трехмерные микро-архитектуры, точно имитирующие структуру и функцию естественных сосудистых каналов.

Несколько типов клеток, напоминающих нативный состав сосудистых клеток, были инкапсулированы в гидрогели с точно контролируемыми свойствами.

Лабораторные испытания показали способность распределять желаемые свойства в целевых регионах. Структуры повышают эффективность производства и позволяют эндотелиальным клеткам спонтанно формироваться в люменподобные элементы.

Результат впечатляет. После имплантации подопытным животным, ткани не только выживали, но и превращались в функционирующую эндотелиальную сеть, способную транспортировать эритроциты.

Непрерывная оптическая биопечать

Методику называют микромасштабной непрерывной оптической биопечатью. Печать начинается с трехмерной компьютерной модели сосудистой сети ультравысокого разрешения.

Технически трёхмерная печать позволяет напечатать практически любой орган, включая кровеносные сосудистые сети. Но одно дело печать и совсем другое — вживление

Компьютерная модель преобразуется в цифровую форму 2D снимков, которые вместе образуют шаблон для печати точной копии сети. Эти снимки передаются на два миллиона микроскопических зеркал, находящихся под УФ-излучением.

Когда ультрафиолет отражается от зеркал, лучами захватывается отражение шаблонной формы и переносится на биораствор, содержащий живые клетки и светочувствительный полимерный гидрогель.

Ультрафиолетовый свет приводит к затвердеванию гидрогеля в шаблоне соответствующей формы. В результате образуется многослойная структура клеточного каркаса, содержащая живые клетки.

Команда испытателей сумела создать целый ряд таких структур клеточной культуры. Затем продукт привили их мышам. В течение двух недель печатная ткань фактически слилась с натуральными кровеносными сосудами мышей.

Однако вопросы остаются. Как выяснилось, искусственная ткань не способна имитировать естественную доставку питательных веществ к натуральной сосудистой ткани, а также осуществлять функции удаления отходов.

Другие попытки напечатать ткани организма

Другие технологии 3D печати основаны на производстве «пиксельных» структур и обычно требуют жертвенных материалов, а также дополнительных шагов для создания кровеносных судов.

Этот процесс также может предложить более быструю и дешевую технологию производства биосовместимых материалов, чем уже существующие методы.

Правка некоторых незначительных частей тела — печать дополнений или отсутствующих элементов — растущая практика косметической медицины

Изучается возможность использования собственных стволовых клеток пациента для создания индивидуализированных тканей, которые противостояли бы атаке иммунной системы по отношению к индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам.

Учёные продолжают работать над созданием тканей, специфичных для пациента, с использованием индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, что должно исключить негативное влияние трансплантатов на иммунную систему организма.

Практически всем тканям и органам необходимы кровеносные сосуды для выживания и нормальной работы. Это является большим узким местом в процессе трансплантации органов, которые пользуются большим спросом, но всегда остаются в дефиците.

Напечатанные 3D технологией биологически преобразованные органы могли бы помочь преодолеть барьер дефицита. Надежды на трёхмерную печать, пусть даже несколько призрачные, уже приблизились на один шаг к реалиям. Сколько же ещё потребуется шагов?

Как 3D печать решает проблему недостатка органов?

Последние десять лет медицина шагала вперед семимильными шагами, отчасти благодаря развитию технологии. Одним из наиболее «перспективных» открытий стала 3D-печать биоматериалом, известная как 3D-биопечать. Сейчас она стала популярным инструментом для решения проблем, к которым врачи прежде не знали, как подступиться.

Например, ученым до сих пор не удалось найти способ создания искусственных кровеносных сосудов. Его нахождение помогло бы многим людям. Кровеносные сосуды играют огромную роль в организме человека, ведь по ним к органам поступают питательные вещества и удаляются продукты жизнедеятельности. Вот уже много лет ученые пытаются научиться делать искусственные каналы, по которым кровь могла бы течь внутри человеческого тела.

Команде ученых из Женской больницы им. Бригама в Бостоне, штат Массачусетс, возможно, удалось найти решение. Используя технологию 3D-печати, вернее, технологию 3D-биопечати, они предложили эффективный способ использования матрицы волокна агарозы в качестве формы для настоящих кровеносных сосудов. Для тех, кто не знает, агароза – это получаемая естественным путем молекула на основе сахара.

«Ученые уже совершили невозможное, создав сложные искусственные ткани сердца, печени и легких, – говорит старший автор проекта Али Кадемхоссеини, доктор наук, инженер-биомедик и руководитель Исследовательского центра инновационных биоматериалов при Женской больнице им. Бригама. – Однако создание искусственных кровеносных сосудов по-прежнему остается камнем преткновения в вопросе тканевой инженерии. Мы попытались решить эту проблему, использовав уникальную стратегию васкуляризации гидрогелевых конструкций, которая объединяет в себе достижения в области 3D-биопечати и исследования биоматериалов».

На полученную форму наносится гидрогель, образующий покрытие, которое потом затвердевает под воздействием ультрафиолета.

«В целом наша стратегия строится на технологии васкуляризации гидрогелевых конструкций с целью их последующего применения в тканевой инженерии» – объясняют исследователи.

Да, это отличные новости для медицинского сообщества, но от 3D-печати настоящих живых кровеносных сосудов, которые можно имплантировать в органы и ткани человеческого тела, нас по-прежнему отделяют годы исследований.

«Есть вероятность, что в будущем технологию 3D-биопечати будут использовать для изготовления тканей, подходящих для трансплантации конкретному пациенту, или разработки безопасных и эффективных лекарств», – считает Кадемхоссеини.

Нет никаких сомнений, что это еще один шаг в правильном направлении и новый способ использования 3D-печати. 3D-биопечать относится к числу тех технологий, которые будут продолжать развиваться. Очень скоро мы увидим, как на 3D-принтере печатают целые органы. Это лишь вопрос времени. Одна из проблем, с которой ученые сталкиваются во время 3D-печати органов, это отсутствие эффективного метода печати кровеносных сосудов и артерий внутри этих органов. Возможно, данное исследование еще на один шаг приблизило их к желанной цели.

Статья подготовлена для 3DToday.ru

Еще больше интересных постов