Содержание
Устройство печатало в 3Д-формате костные трансплантаты кроликов помимо прочего, доставляло антибиотики для предотвращения инфекции.
Портативный 3Д-принтер, прототип которого оснащен модифицированным клеевым пистолетом, может когда-нибудь напечатать костные трансплантаты непосредственно на переломах, а также антибиотики для облегчения заживления.
Портативное устройство позволяет накладывать синтетические костные трансплантаты непосредственно на место дефекта или травмы без необходимости предварительной визуализации или изготовления.
Исследователи продемонстрировали технологию, модифицировав пистолет для горячего клея для 3Д-печати материала непосредственно на переломах костей у кроликов. Вместо использования обычного клеевого стержня они использовали специально изготовленную “биоинку”, сообщает команда 5 сентября в журнале Device.
Идея состояла в том, чтобы разработать печатающую систему, которую можно было бы легко оборудовать и использовать в клинических условиях.
«Мы можем сэкономить время, затраты и сложные процедуры [по сравнению с теми], которые требуются при изготовлении костных трансплантатов на основе 3Д-печати”, – говорит биомедицинский инженер Юнг Сын Ли из университета Сонгюнкван в Сеуле, Южная Корея.
Обычно для изготовления костеподобных имплантатов в соответствии с точными техническими требованиями требуется сканирование и измерение повреждений, что может занять несколько дней и задержать проведение операций.
Bioink состоит из двух компонентов, обычно используемых для 3Д-печати имплантатов: гидроксиапатита, который поддерживает процессы костеобразования и усиливает регенерацию тканей, и биосовместимого пластика под названием поликапролактон, или биополимер, который становится основой для роста костей.
“Биополимер постепенно разрушается в нашем организме в течение нескольких месяцев”, — говорит Ли. “Это позволяет медленно заменить трансплантат новой костной тканью”. Пропорции двух компонентов можно регулировать, чтобы оптимизировать прочность, жесткость и биохимические свойства материала при каждом использовании. Исследователи также включили антибиотики в состав bioink для предотвращения послеоперационных инфекций.
Биоинк просто загружается в печатающее устройство и наносится там, где это необходимо. Поскольку обычные пистолеты для горячего клея работают при температурах, слишком высоких для живых тканей, исследователи модифицировали свой прототип, чтобы ограничить нагревание. Они также отрегулировали наконечник для лучшего контроля. Благодаря низкой температуре плавления PCL, биопечать можно наносить при температуре около 60 градусов по Цельсию, охлаждая до температуры тела в течение 40 секунд. Направление, угол наклона и глубину печати можно настроить во время печати, и весь процесс занимает всего несколько минут.
Ли и его коллеги протестировали клеевой пистолет и биоинк на переломах бедренной кости у кроликов. Сравнивая результаты у кроликов, получавших терапию, с контрольной группой, получавшей обычный костный цемент, команда обнаружила, что у первой группы было лучшее заживление и регенерация костной ткани. У животных также не было никаких признаков инфекции в течение 12 недель после операции.
Ли планирует разработать многофункциональную печатную систему, содержащую дополнительные вещества, такие как факторы роста, антибиотики и другие лекарственные препараты, для использования в ортопедических операциях на людях. На данный момент, предупреждает он, это все еще является подтверждением концепции. Стандартизированные производственные процессы, протоколы стерилизации и дальнейшие исследования на животных — все это необходимо для того, чтобы технология смогла внедриться в операционные.
Дебора Мэйсон, молекулярный и клеточный биолог из Кардиффского университета в Уэльсе, которая не принимала участия в исследовании, считает, что повышенная температура является ограничивающим фактором. “Высокая температура экструдированного материала, вероятно, вызывает стресс или гибель клеток”, — говорит она.
Исследователи работают над модификацией наконечника устройства, чтобы сразу после экструзии температура материала снижалась быстрее.
Ньевес Кубо-Матео (Nieves Cubo-Mateo), инженер по биоматериалам из Университета Небрия в Мадриде, говорит, что это устройство потенциально может превратиться в “ручку для печати костей” для хирургов. Но для этого предстоит пройти долгий путь, говорит она. Например, принтер Lee должен быть совместим с технологиями визуализации и роботизированной помощи, используемыми во время операций. Это сделало бы это устройство “не просто средством для устранения дефектов, но и настоящим регенеративным инструментом, адаптируемым к различным хирургическим специальностям”.
Что такое Bioink
Bioink (или биочернила) – это особый тип чернил, предназначенный для 3D-печати живых тканей и органов.
По сути, это гель или суспензия, которая содержит живые клетки в дополнение к другим компонентам, необходимым для их выживания и роста.
Ключевые компоненты и особенности биочернил
1. Живые клетки. Это «сердце» биочернил. Могут быть использованы различные типы клеток: Стволовые клетки:** Обладают потенциалом превращаться в разные типы клеток, что делает их идеальными для создания разнообразных тканей.
Специфические клеточные популяции. Например, клетки хряща, кости, кожи, печени и т.д.
2. Биосовместимый материал (матрикс)
Это основа, которая поддерживает клетки и придает биочернилам необходимую структуру и вязкость для печати. Этот материал должен быть:
Биосовместимым — не должен вызывать иммунного ответа или токсичности у клеток.
Биоразлагаемым. Со временем разрушаться, позволяя клеткам занять его место и формировать собственную внеклеточную матрицу.
Удерживающим воду. Создавать благоприятную среду для клеток.
Обладать нужными механическими свойствами. Быть достаточно прочным, чтобы выдерживать процесс печати, но при этом не препятствовать росту клеток. Примеры биосовместимых материалов:
Гидрогели. На основе полисахаридов (альгинат, гиалуроновая кислота, желатин, коллаген), белков (фибрин).
Синтетические полимеры. Например, полиэтиленгликоль (PEG).
3. Факторы роста и другие биоактивные молекулы
Часто добавляются для стимуляции роста, дифференцировки и выживания клеток.
Как это работает (принцип 3D-биопечати).
1. Подготовка биочернил. Смешиваются клетки с биоматериалом и другими необходимыми компонентами.
2. 3Д-печать. Специализированный биопринтер наносит биочернила слой за слоем в соответствии с трехмерной моделью (цифровым «чертежом») ткани или органа.
3. Инкубация. После печати полученная структура помещается в инкубатор, где поддерживаются оптимальные условия (температура, влажность, питательные вещества) для того, чтобы клетки могли расти, делиться и формировать зрелую ткань.
Цели использования биочернил и 3Д-биопечати
Регенеративная медицина. Создание трансплантатов тканей и органов для замены поврежденных или утраченных.
Моделирование заболеваний. Печать «органоидов» или мини-органов для изучения развития болезней и тестирования лекарств.
Разработка лекарств. Тестирование эффективности и токсичности новых препаратов на биопечатных тканях, что может заменить тестирование на животных.
Исследования. Изучение клеточной биологии, тканевой инженерии и процессов развития.
Перспективы. 3Д-биопечать с использованием биочернил – это одна из самых перспективных областей в современной медицине и биотехнологии.
Хотя до создания полноценных, сложных органов для трансплантации еще далеко, уже достигнут значительный прогресс в печати более простых тканей, таких как кожа, хрящи и кровеносные сосуды.