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

Корейская компания Rokit достигла колоссальных успехов в 3D-биопечати. Ученые разработали 3D-принтер Dr. INVIVO 4D, меняющий понимание человеческих возможностей. Модульная система позволяет устанавливать в аппарат различные печатающие головки, совместимые с широким спектром печатных материалов. Достаточно отметить, что 3D-принтер печатает в диапазоне температур от -25 °C до 350 °C. Диапазон полученных изделий — от сердечной мышцы до искусственных хрящей.

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.