Предыдущая публикация
ЗДОРОВЬЕ НА 3D-ПРИНТЕРЕ: КАК РАЗВИВАЕТСЯ БИОПЕЧАТЬ В РОССИИ
В последние годы биопечать становится одной из самых перспективных и обсуждаемых технологий в области медицины. В России активно развиваются исследования в этой области, что открывает новые горизонты для лечения различных заболеваний и восстановления поврежденных тканей. В центре внимания находятся такие инновационные устройства, как биопринтер, тканевый пистолет и искусственное ухо.
Биопринтер: революция в медицине
Биопринтер — это устройство, способное печатать живые клетки и биологические материалы, создавая сложные трехмерные структуры, которые могут имитировать человеческие органы и ткани. В России уже существуют лаборатории, где ведутся разработки по созданию биопринтеров, способных производить ткани для трансплантации. Это может значительно сократить время ожидания донорских органов и повысить шансы на успешное лечение пациентов.
Эксперты компании 3D Bioprinting Solutions проводят исследования совместно с Национальным исследовательским технологическим университетом МИСИС — своим партнером по федеральному проекту Министерства науки и высшего образования «Передовые инженерные школы». В сентябре 2023 года прошли доклинические испытания разработанного партнерами биопринтера в виде роборуки. Технологию протестировали на животных в лаборатории Московского научно-исследовательского онкологического института имени П.А. Герцена. А уже в декабре 2023 года с помощью нового биопринтера хирурги Главного военного клинического госпиталя имени академика Н.Н. Бурденко провели первую в мире операцию с биопечатью на пациенте.
На фото биопринтер в виде роборуки в лаборатории МИСИС
Роборука-биопринтер ориентируется в пространстве с помощью системы компьютерного зрения. В качестве биочернил в устройство загружается коллагеновый гидрогель российского производства, в который уже «на месте» добавляются собственные клетки костного мозга пациента, стимулирующие регенерацию тканей.
Перед операцией биопринтер самостоятельно отсканировал место повреждения, после чего специалист университета запрограммировал траекторию подачи биочернил в рану. Далее робот без помощи человека запечатал повреждение биополимерной «заплаткой». Разработанная партнерами система сканирования и печати помогает успешно преодолеть сразу три препятствия, с которыми можно столкнуться в процессе биопечати: сложный рельеф раны, повышенная кровоточивость и инородные тела (например, металлические конструкции для фиксации сломанных костей). А если пациенту необходима реконструктивная операция, частичное «закрытие» раны сокращает площадь повреждения, что помогает снизить хирургическое вмешательство и, как следствие, риск развития осложнений после него.
На фото подготовка материалов для биопечати в лаборатории МИСИС
В развитие биопечати также вносят свой вклад молодые ученые МИСИС. Весной 2023 года выпускники программы «Биоматериаловедение» запатентовали напечатанный на 3D-принтере имплантат ушной раковины. Исследователи представили свою разработку в качестве дипломной работы. Новое искусственное ухо превосходит аналоги по биофизическому сходству с настоящей ушной раковиной. Полиуретановый каркас имплантата повторяет очертания уха и имеет особую структуру, позволяющую сосудам прорастать сквозь него. Напечатанная ушная раковина не теряет исходной формы под воздействием силы натяжения кожного лоскута, а клеточный материал внутри имплантата близок по плотности к живой ткани, что позволяет расширить регенеративные возможности и увеличить приживаемость искусственного уха. Эта технология поможет устранять как врожденные дефекты, так и последствия травм, ожогов и опухолей.
На фото мобильный тканевый пистолет, который позволит дезинфицировать и заживлять раны в полевых условиях
Яркое достижение МИСИС в области биопечати — первый в России тканевый пистолет, позволяющий накладывать «заплатки» из биополимеров на раны легкой и средней степени тяжести. Технология помогает остановить кровь и запустить восстановительный процесс на месте повреждения. Для заживления раны пистолет смешивает в единый материал три компонента: биополимеры, медицинские препараты (обезболивающие, кровоостанавливающие, антибактериальные и др.) и сшивающий агент. Соотношение «ингредиентов» регулируется в режиме реального времени. В отличие от аналогов, технология обладает более простой и функциональной системой подачи материала в область раны, может использовать шприцы с биоматериалами вдвое большего объема, а также полностью автономна и заряжается через USB-порт. Разработка предназначена для помощи пострадавшим в мобильных госпиталях во время чрезвычайных ситуаций и военных действий. Тканевый пистолет уже испытали в НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина — технология помогла ускорить заживление ожоговых ран у лабораторных животных.
Биопринтер, искусственное ухо и тканевый пистолет были разработаны в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Биомедицинские материалы и биоинженерия» по программе Министерства науки и высшего образования «Приоритет-2030».
ОТ ХРЯЩЕВОЙ ТКАНИ ДО БАРАБАННОЙ ПЕРЕПОНКИ
Особое место биопечать занимает и в практике Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова. Летом 2023 года ученые вуза провели полный цикл биопечати тканевого эквивалента совместно с ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. Эксперимент позволил впервые выработать пошаговое описание создания биоинженерной конструкции на 3D-принтере. Для печати исследователи использовали два типа стволовых мезенхимальных стромальных клеток человека — из слизистой оболочки десны и из жировой ткани. Из них сформировали сфероиды — строительные «кирпичики» для биопринтера — и смешали со специальным гидрогелем из желатина, фибриногена и нескольких веществ-модификаторов, создающим комфортную среду для функционирования клеток. Затем исследователи напечатали с помощью полученных биочернил эквивалент живой ткани и пронаблюдали за дифференциацией стволовых клеток.
Оказалось, что клетки из десны становятся более вытянутыми, поэтому лучше подходят для создания сосудов и костей, а клетки из жировой ткани принимают распластанную форму, что делает их более пригодными для получения искусственной кожи. В результате эксперимента исследователи получили полностью функциональный живой эквивалент кожи, который позволит повысить эффективность терапии плохо восстанавливающихся диабетических и трофических язв, ожогов и незаживающих ран.
В числе других достижений Сеченовского университета в области биопечати — эксперименты по созданию искусственного хряща и аналога барабанной перепонки человека. Напечатанная на биопринтере хрящевая ткань поможет в лечении травм и борьбе с заболеваниями суставов, такими как остеохондроз, а барабанная перепонка позволит обрести слух людям, страдающим от глухоты и тугоухости.
ЗАМЕНИТЬ ПОДОПЫТНЫХ МЫШЕЙ И «РАСПЕЧАТАТЬ» ДНК
Значимых результатов в сфере биопечати достигают и другие вузы страны. Например, собственный биопринтер BION-F представили в 2019 году исследователи Донского государственного технического университета. Важнейшая особенность разработки — простота производства: устройство создано с помощью технологий 3D-печати. BION-F многофункционален: он позволяет печатать искусственные ткани из биочернил с живыми клетками, конструкции из биопластика с гидрогелем, а также скаффолды — трехмерные каркасы для формирования различных биологических структур.
К развитию биопечати приступили в начале 2023 года и ученые Томского государственного университета. Напечатанные ткани исследователи предлагают использовать в регенеративной медицине, а также в качестве замены лабораторным животным для испытания имплантатов и новых препаратов против рака.
Как уже упоминалось выше, важной составляющей биочернил для печати тканей и органов являются гидрогели, создающие благоприятную среду для живых клеток. Однако для успешной подготовки биоинженерной структуры в геле должна поддерживаться комфортная для клеток температура, контроль которой усложняется тем, что гидрогель является анизотропным материалом. Простыми словами, его физико-химические свойства неоднородны.
Большой вклад в совершенствование диагностики процессов, протекающих в гидрогелях для биопечати, внес Николай Захаров, молодой ученый из Российского технологического университета МИРЭА. Исследователь впервые получил видеокадры, отражающие особенности теплообмена в гидрогеле в процессе его нагрева, а также позволяющие зафиксировать время начала его плавления и соответствующие этому моменту предельные тепловые потоки.
Напечатанная на биопринтере хрящевая ткань поможет пациентам с заболеваниями суставов
Интересную разработку в области биопечати — первый в России геномный принтер — представили в начале 2024 года исследователи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Система предназначена для массового автоматического синтеза олигонуклеотидов — фрагментов ДНК, из которых затем можно собирать длинные молекулярные цепочки, несущие генетическую информацию. Одно из практических применений технологии — производство лекарств на основе олигонуклеотидов
Работающий макет геномного принтера
Магнитный биопринтер «Орган.Авт» от компании 3D Bioprinting Solutions добрался до Международной космической станции в конце 2018 года. Этот уникальный принтер адаптирован для работы в условиях невесомости и уже дал первые результаты – на орбите были напечатаны аналоги мышиной щитовидной железы и человеческой хрящевой ткани.
Недавно, весной 2024 года, проект «Орган.Авт» вернулся к новым испытаниям и достиг нового уровня: технология позволила создать трубчатые биоинженерные конструкции на орбите. Эксперимент «Магнитная биофабрикация» включал в себя участие космонавтов Олега Кононенко и Марины Василевской из Беларуси.
Испытания проводились при поддержке госкорпорации «Роскосмос», РКК «Энергия», ЦНИИмаш, Центра подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина и организации «Агат» под руководством директора Института биомедицинской инженерии МИСИС Ф.С. Сенатова.
Эти достижения в области биопечати находятся на передовой науки и могут привести к революционным изменениям в медицине и космической технологии.
На фото Магнитный биопринтер «Орган.Авт» для работы на МКС в условиях невесомости
Эксперты из 3D Bioprinting Solutions использовали специальный металл-полимерный материал с памятью формы, разработанный в сотрудничестве с учеными НИТУ МИСИС, для создания искусственных трубчатых структур. На пластины этого материала наносили клеточный материал, и при нагревании до 36 °C в магнитном поле они принимали нужную форму - становились трубчатыми структурами с заданной длиной и диаметром.
Интересно, что эти эксперименты проводились в микрогравитационной среде впервые. Космонавты на Международной космической станции зафиксировали полученные конструкции и отправили их на Землю для дальнейшего анализа. Это открывает новые перспективы в области биопринтинга и создания биоинженерных структур, которые могут иметь широкое применение в медицине и прочих отраслях.
Проект «Большая аудитория» проходит до конца 2024 года в рамках «Популяризации науки и технологий». Он реализуется при поддержке гранта Минобрнауки и направлен на развитие научно-просветительской деятельности.
#Большаяаудитория #Лекторий #Политехническиймузей #Россия #Наука #Изобретения #Знания #ДесятилетиеНаукиИТехнологий #ЮТИ #Политех #форум #образование #биопечать #3Dпечать #медицинабудущего
Следующая публикация
Нет комментариев