Сердце из принтера

Печать различных биологических тканей на 3D-принтере уже отнюдь не в новинку. Скоро печатать можно будет и такие жизненно важные органы, как человеческое сердце. В этом поможет новая методика биопечати, разработанная биоинженерами из Американского химического общества и Университета Карнеги – Меллона (США) во главе с Эманом Мирдамади и Адамом Файнбергом.

Первый 3D-принтер был построен в начале 80‑х американским инженером Чарльзом Халлом. Это устройство позволяло создавать твердые объекты с помощью автоматизированного проектирования (САПР). Со временем оказалось, что таким образом можно воспроизводить и биологические объекты.

С начала 2000‑х исследователи научились выращивать из стволовых клеток нервные клетки, мышечную ткань, кровеносные сосуды и даже клетки головного мозга. В 2006 году американским ученым впервые удалось вырастить из них сложный человеческий орган – мочевой пузырь. В 2007 году японцы получили из них роговицу человеческого глаза и зуб.

Причем для этого понадобилась всего одна клетка. В 2008 году в США было выращено из стволовых клеток искусственное сердце на донорском каркасе.

В 2013 году специалисты из университета Хериота-Уатта в Эдинбурге разработали методику, позволяющую получать органы для пересадки из эмбриональных стволовых клеток, печатая нужные ткани на 3D-принтере.

Выглядит это так. Сначала при помощи специальной технологии на основе стволовых клеток выращиваются живые органы, предназначенные для конкретного пациента. Затем на трехмерном принтере печатаются ткани. Таким образом могут быть созданы биологические протезы больных или потерянных органов.

Настоящий прорыв в этой области был совершен в конце 2013 года учеными из новосибирского НИИ травматологии и ортопедии (НИИТО). Они разработали инновационную технологию по выращиванию костной ткани человека из стволовых клеток.

Суть ее заключается в том, что клетки костного мозга пациента помещают на специальную лактидовую матрицу, изготовленную по методике физика Виктора Принца. Далее они начинают делиться и формируются в костную или хрящевую ткань, которую затем имплантируют в организм пациента.

Таким образом можно будет получать биокомпозитные материалы для протезирования костей и суставов. Это позволит избежать сложных и дорогостоящих операций, когда пациенту ставят искусственные протезы суставов из металла или керамики. Да и период реабилитации после таких операций достаточно долгий. К тому же то обстоятельство, что пациенту имплантируют свои, а не чужие клетки, уменьшает риск отторжения.

В 2017 году группа ученых из Шотландии и Ирландии разработала устройство, генерирующее нановибрации, воздействующие на плавающие в коллагеновом геле стволовые клетки. После этого клетки превращаются в остеобласты – костную ткань.

Эту «костную шпатлевку», как называют ее авторы разработки, затем помещают в организм пациента, имеющего проблемы с костями. Как утверждает профессор клеточной инженерии из Университета Глазго Мэтью Далби, подобная методика может оказаться весьма эффективной в случаях, когда пациенту грозит, скажем, ампутация конечности.

На сегодняшний день есть различные методы биопечати. Биопечать на основе экструзии подразумевает применение механических, пневматических или соленоидных систем дозирования для непрерывного нанесения биочернил в форме нитей. Также существует метод биопечати на капельной основе, при которой капли биочернил генерируются посредством термической, акустической или электрической стимуляции.

Материал, который обычно используют для создания моделей человеческих органов, не позволяет воспроизвести подлинные параметры биологических тканей. Например, силикон в процессе эксплуатации быстро разрушается, поэтому модели крупных органов имитировать сложно.

Новая технология, разработанная американскими биоинженерами, называется FRESH, или обратимым внедрением суспендированных гидрогелей. С ее помощью можно создавать искусственные органы из мягких биоматериалов в желатиновой ванне, способной поддерживать хрупкую структуру вещества. Ранее подобная методика применялась только для получения небольших объектов.

Основой для моделей сердца стал альгинат – субстанция, полученная из морских водорослей и схожая по своим свойствам с тканями сердца. Благодаря магнитно-резонансной томографии удается в точности воспроизвести структуру органа.

Пока эта методика используется для создания полноразмерных реалистичных моделей человеческого сердца, на которых будут практиковаться кардиохирурги-интерны. Но в дальнейшем будет возможна и печать имплантатов, которые заменят настоящие органы у пациентов. Причем не только сердце, но также почки и печень, например.

Между тем недавно специалисты Сибирского физико-технического института Томского государственного университета разработали технологию так называемых выносливых имплантатов. Речь идет об уникальном материале, из которого можно изготавливать ткани, имитирующие костные.

Он представляет собой сплав никелида титана. Будучи эластичным и пористым, он способен изменять свою форму в пределах 6-7% и после этого восстанавливаться до исходного состояния. Но самое главное – он очень устойчив и практически не подвержен износу. С таким протезом человек сможет прожить всю жизнь.

«Свойства нового материала сравнимы с тем, как ведут себя костные ткани организма человека при физиологических нагрузках», – отмечают авторы разработки.

Предполагается, что выносливые имплантаты после сертификации найдут применение в травматологии, хирургии, лечении онкологических заболеваний и других медицинских направлениях. Кстати, разработка уже прошла доклинические испытания.

Ирина ШЛИОНСКАЯ