«Умные» машины печатают искусственные органы, снабжённые кровеносными сосудами

Разборка людей на «запасные органы» — сюжет весьма популярный в коммерческой мифологии. Сначала он присутствовал в «твёрдой» научной фантастике вроде книг Ларри Нивена («Known Space») и Зиновия Юрьева («Люди и слепки»). Потом, когда трансплантология все больше проникала из фантастики в жизнь, этот сюжет «снижался», сползая сначала до уровня «городских легенд» и полицейских сериалов низшего пошиба. Но вот теперь технология, похоже, отодвинет его на окраину фольклора, к байкам «о корчме людоедов»: искусственные органы для пересадки стало возможным не изымать у живых или мёртвых, а печатать!

Люди — заготовки запасных органов из фильма «Остров».

Помогает в этом деле ещё один из популярных артефактов коммерческой мифологии — «исчезающие» чернила, без которых не обходится ни один авантюрный роман. Те самые, которые используются мошенниками для обмана добропорядочных граждан. (Впрочем, Мастер-Банк без всяких симпатических чернил ухитрился, собрав с четырёх десятков ВИП-клиентов почти миллиард рублей, провести его «мимо кассы»…) Но технология инвариантна к добру и злу. Моральный выбор делает человек. И группа исследователей из Гарвардского университета применила «исчезающие» чернила для благородной цели.

Она занимается созданием полноценных «запасных частей» для человека, искусственных органов. Причём органов, куда лучше подходящих для этой цели. Много лучше, чем природные! Дело в том, что геном человека не является «единственным документом», по которому мы производимся. Жизнь каждого человека в процессе формирования развития его тела непрерывно получает «карточки разрешения», разрешения на отклонения. По-разному формируются кости, сосуды, нервы…

Даже генетический клон может оказаться «устроенным» совсем по другому, нежели человек изначальный, служивший ему образцом. Ну а трансплантология поэтому-то так и ограничена в своих возможностях, несмотря на запредельную сложность и дороговизну. Дело в том, что все те биологические процессы, которые и являются жизнью, протекают в типичной «большой системе», претерпевающей массу воздействий и реагирующей на каждое на них непредсказуемым образом. Конечно, петли регулирования отклонения вводят в некоторые нормы, но только в некоторые!

А вот такая вещь, как печать «запасного» органа из клеточного материала, стала возможной благодаря развитию технологий 3D-печати, о чем «Компьютерра» не раз писала. Но, хотя существуют успешные примеры применения в лечении пациентов искусственных трахей, объемно напечатанных из клеточного материала (тестирование, кстати, проходило и в России), возможности изначально существующей технологии были ограничены. Она не могла производить достаточно толстые и объёмные искусственные органы.

Почему? Да потому что клеткам нужна подача энергии и строительных материалов, с отводом отработанного сырья. Того, что обеспечивается кровеносной системой, которой в искусственных органах «первого поколения» и не было: принтеры формировали из клеточного материала массу разных форм и размеров, но однородную. Из одних и тех же клеток — пригодную, скажем, для искусственной кожи. Но вот теперь ситуация радикально изменилась к лучшему.

Вместо мрачных «сумасшедших учёных», бросающих вызов Природе, с Эволюцией бойко спорит компания ухмыляющейся молодёжи.

Исследовательская группа из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук, возглавляемая профессором Дженнифер Льюис (Jennifer A. Lewis), сумела, используя выполненный по специальному заказу объёмный принтер с четырьмя печатными головками, произвести васкуляризированную живую ткань, в которой клетки перемежаются кровеносными сосудами. Об этом рассказано в статье «3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs».

Исследователям из Lewis Lab удалось решить эту проблему благодаря использованию нескольких видов чернил. Первыми чернилами выступало желатинообразное вещество, исполняющее роль внеклеточной матрицы — ту роль, которую в живом организме исполняет смесь белков и прочей биохимии, окружающей клетки. Двое других чернил состояли из желатина, исполняющего роль строительного раствора, и «кирпичиков» двух родов, которыми были мышиные клетки и клетки человеческой кожи.

Пока результаты биопечати скромны.

Ну а главная хитрость состояла в использовании ещё одного сорта чернил. Им выступил материал с парадоксальными свойствами — желеобразный при комнатной температуре, при которой и производилась печать, и разжижающийся при температурах низких. И вот этим-то материалом и заполнялись полости будущих кровеносных сосудов. А дальше, когда искусственный орган сформирован, он охлаждается и помещается в вакуум — благодаря чему разжижившийся материал вытекает, формируя полости, по которым предстоит циркулировать крови.

Процедура поразительно знакомая для любого инженера: натуральное литье по выплавляемым моделям, только наоборот. Тут модель не выплавляется, а, наоборот, выхолаживается, переводясь в жидкую фазу. (Поклонники теории решения изобретательских задач Генриха Сауловича Альтшуллера легко смогут идентифицировать применённые в данном случае приёмы ТРИЗ.) Но главный принцип, применённый для формирования мелких структур, — тот же самый…

Правда, технологические ограничения имеют место и здесь. Пока удалось сформировать кровеносные сосуды диаметром около 75 микрометров. Изготовление капилляров сегодня невозможно. Гарвардские исследователи надеются, что в искусственном органе, в котором сформированы крупные и средние кровеносные сосуды, капилляры начнут прорастать сами собой, в процессе функционирования организма. Ну, примерно как алхимики надеялись на самозарождение гомункулусов. Правда, развитие кровеносных сосудов неизбежно сопровождает работу живой материи.

То есть «объёмно-печатная хирургия», по словам Льюис, должна предшествовать запуску биологических процессов, которые и доработают искусственный орган окончательно. У инженера возникает неистребимое желание сравнить это с обкаткой мотора, неизбежной для тех, кто приобретал мотоцикл индустриальной эпохи… Иными словами, до той власти над живой материей, которую обретали Франкенштейн и Россум из повести Мэри Шелли и пьесы Карела Чапека, пока что далеко.

Но ведь мы имеем дело с весьма низкобюджетными исследованиями (несравнимыми по затратам с ракетно-ядерными), проводимыми на высокостандартизированном оборудовании. Четвёртая головка у объёмного принтера — это именно кастомизация, присущая Индустриализации 2.0, небольшие доработки, опирающиеся на пирамиду технологий. И побочный продукт информационных технологий готов внести кардинальные изменения в здравоохранение!

Михаил Ваннах

Найден способ заставить сердце биться вечно

Сердце

С момента рождения человеческое сердце бьется многие годы, не останавливаясь на отдых. Проблема возникает при внезапной остановке сердца. Современная медицина испробовала всевозможные способы замедления старения и поддержания работы сердца. Но последнее исследование ученых в этой области выявило способ поддержания частоты сердечных сокращений бесконечно долго.

Исследователи из Иллинойского и Вашингтонского университетов, используя методы формирования высококачественных графических изображений и 3D-печати, создали прототип тонкой внешней мембраны, которая обволакивает сердце. Искусственная мембрана со встроенными электродами имитирует естественную наружную оболочку сердца, известную как перикард. Устройство идеально покрывает сердце, поддерживая его работу вне тела. Разработка была продемонстрирована на кроличьем сердце, помещенном в раствор, богатый питательными веществами, пишет британская газета The Independent.

Устройство способно контролировать работу сердца, выявлять признаки остановки сердца и аритмии, а в случае необходимости подавать электрические импульсы к сердечной мышце, как это делают традиционные кардиостимуляторы. За счет использования множества электродов, контактирующих с органом, достигается максимальный эффект. При этом новое устройство не идет ни в какое сравнение с обычными кардиостимуляторами, заявляют ученые.

Искусственная мембрана с электродами быстрее обнаруживает проблемы и требует меньше энергии для поддержания сердца в рабочем состоянии. Электроды изготовлены из обычных материалов, а их структура позволяет мембране растягиваться, чтобы покрыть сердце.

Но не нужно надеяться, что продлить жизнь сердцу можно будет уже сегодня. Технология показала свою эффективность лишь в лабораторных условиях, пока только на сердце животного. Но это вселяет большую уверенность в то, что уже через несколько лет это изобретение принесет огромную пользу человеку.

10 невероятных вещей, доступных 3D-принтерам уже сегодня

3D-принтер

Прошло более тридцати лет с тех пор, как Чак Халл изобрел первый 3D-принтер в 1983 году. С тех пор идея печати объектов на машине переступила из фантастики в реальность, открыв новые возможности для каждой из сфер, от науки до искусства.

3D-печать, возможно, еще развивается, но за последние тридцать лет технология головокружительно выросла, как в плане объемов, так и в плане полезности объектов печати. И знаете, это не только штуки-дрюки и игрушки.

Легко оставаться скептичным по отношению к 3D-печати, которая все еще медленнее, дороже и менее эффективна по сравнению с традиционным производством. Но если мы будем сосредотачиваться на нескольких остающихся недостатках этой технологии, мы не сможем увидеть, как далеко уже зашла 3D-печать.

Перед вами десятка самых невероятных объектов, которые уже можно распечатать.

Части тела

Уши, почки, кровеносные сосуды, кожа и кости — все это было успешно напечатано. Вместо обычного пластика, который ассоциируется с 3D-печатью, медицинские биопринтеры используют гелеподобную субстанцию, сделанную из клеток. Разве что кроме костей, в основе которых лежит керамический порошок.

Достижения в области 3D-биопечати означают, что в один прекрасный день врачи смогут обеспечить каждому пациенту совершенно соответствующий костный фрагмент, лоскут кожи или почку. Почки, к слову, уже есть, но пока не работают.

И пока биопринтеры не могут печатать целые конечности человека, пластиковые принтеры уже могут печатать искусственные конечности дешевле 100 баксов всего за пару часов.

Пицца

Этот проект NASA достаточно съедобен. Организация начала финансировать напечатанную на 3D-принтере еду, чтобы накормить астронавтов в космосе. Обычно 3D-принтеры работают с одним картриджем материала. Пищевой принтер распечатывает из нескольких картриджей сразу, содержащих материалы вроде теста, сыра или соуса.

Шоколад

Если заменить обычный пластик в картридже 3D-принтера расплавленным шоколадом и дать ему возможность выписывать футуристические вензеля на кексиках и шоколадках, начнется настоящий рай для сладкоежек. Вы можете напечатать или расписать все, что нарисуете на компьютере, а потом съесть.

Chocedge — один из первых эксклюзивных шоколадных принтеров стоимостью в несколько тысяч долларов. Тем не менее в сфере 3D-печать сладких изделий царит безумная конкуренция. В январе компании Hershey и 3D Systems объявили о партнерстве для создания всех видов печатных конфет. Если компания заменит своих рабочих 3D-принтерами, это значительно оптимизирует рабочий процесс.

Одежда

Возможно, одежда, распечатанная на 3D-принтере, пока не продается в магазинах, но она уже существует. Модель Дита фон Тиз надела первое полностью напечатанное на 3D-принтере платье, сделанное специально для нее.

Для обычных людей 3D-печать может означать запредельный уровень персонализации одежды, вплоть до наличия собственного портного, буквально говоря. 3D-принтер сможет напечатать одежду для любого тела. С другой стороны, если у вас нет такой фигуры, как у Диты, возможно, вы еще просто не готовы.

Музыкальные инструменты

Сейчас возможно создавать рабочие музыкальные инструменты, полностью напечатанные на 3D-принтере. В коммерческой сфере уже есть гитара Odd 3D, которая обещает уникальный вид и акустику высшего класса. Исследователь лаборатории MIT Амит Зоран напечатал полностью рабочую флейту. Немецкая фирма EOS распечатала скрипку из полимера.

Единственная проблема в том, что 3D-печатные музыкальные инструменты звучат не так хорошо, как традиционные. Скрипачка Джоанна Вронко сыграла на обычной скрипке и на печатной на концерте в Амстердаме, и стало очевидно, что больше понравилось аудитории.

Автомобили

Urbee 2 больше похож на боб, чем на машину. Но на самом деле это первый автомобиль, изготовленный из распечатанных на 3D-принтере частей.

Трехколесная машинка дешевле и потребляет меньше топлива, чем любой другой автомобиль на рынке, но 23-сильный двигатель (с элементами питания) позволяет ей развивать невероятную скорость. Создатели Urbee 2 хотят выпустить машину на американские дороги в течение двух лет, однако им предстоит проделать еще немного работы. Автомобиль, к примеру, не соответствует правилам дорожного движения США на данный момент.

Оружие

Возможно, самое спорное, что можно распечатать, это огнестрельное оружие. Первая модель называлась Liberator и была разработана 26-летним Коди Уилсоном. Теперь практически любой, обладающий 3D-принтером и подключением к Интернету, может скачать и распечатать свой собственный пистолет из пластиковых деталей. Но только потому, что он сделан из пластика, не значит, что он безопасен.

И хотя когда ФБР решило распечатать Liberator, он взорвался, Уилсон загрузил видео, на котором сам он успешно стреляет. В общем, скоро это запретят на законодательном уровне.

Дроны

А как насчет дронов, бороздящих небеса и распечатанных на 3D-принтере?

Исследователи из Саутгемптонского университете разработали SULSA, беспилотный летательный аппарат, который может стать объектом массовой 3D-печати. Его максимальная скорость — 150 км/ч, а в воздухе он может находиться в общей сложности 30 минут.

Дроны

Дрон можно собрать из пластика за 10 минут, без использования винтов или других крепежных средств. В результате, получится абсолютно тихий летательный аппарат.

Игрушки для взрослых

Ну и конечно, одной из первых вещей, которые люди начали делать с появлением 3D-принтеров, стали сексуальные игрушки. Индустрия уже выдает фаллоимитаторы, вибрирующие рукава и другие аксессуары. Некоторые из них тщательно персонализируются.

Можно было предсказать, к чему все это приведет. В конце концов, мы все знаем, для чего люди начали использовать Интернет.

3D-принтеры

Reprap

На самом деле на 3D-принтере можно распечатать и 3D-принтер. С появлением такой возможности мы замкнули круг. RepRap — это принтер с открытым исходным кодом, который делает именно это. Открытый код означает, что вы сможете спокойно распечатать и собрать все детали. Просто нужно купить сам аппарат (500-600 долларов) и программу для печати, а после можно раздать всем друзьям по принтеру.

Важный шаг на пути к печати живых тканей

Новый метод биопринтинга, разработанный учеными Института биологической инженерии Висса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Гарвардского университета (Harvard University) и Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (Harvard School of Engineering and Applied Sciences), позволяет создавать сложные трехмерные тканевые конструкции из нескольких типов клеток с мельчайшими кровеносными сосудами.

Эта работа представляет собой важный шаг к давней цели тканевых инженеров – созданию конструкций из человеческих тканей, достаточно реалистичных, чтобы проверять на них безопасность и эффективность лекарственных препаратов.

Кроме того, разработка этого метода – первый, но важный шаг к созданию полнофункциональных структур, которые хирурги смогут использовать для замены или восстановления поврежденных или больных тканей. С помощью системы компьютеризированного проектирования, основываясь на данных компьютерной томографии, такие трехмерные структуры можно будет создавать простым нажатием кнопки 3D-принтера.

«Это фундаментальный шаг к созданию трехмерных живых тканей», – говорит руководитель исследования Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis), PhD. Вместе с ведущим автором Дэвидом Колески (David Kolesky) ее группа опубликовала свои результаты в журнале Advanced Materials.

В новом методе 3D печати, разработанном Дженнифер Льюис и ее группой, используются несколько печатающих головок и специальные чернила. (Фото: Wyss Institute and Harvard School of Engineering and Applied Sciences)

Тканевые инженеры уже многие годы пытаются создать васкуляризированные человеческие ткани, достаточно надежные, чтобы служить заменой поврежденным тканям живого организма. Человеческие ткани печатались и раньше, но их образцы имеют толщину не более трети десятицентовой монетки. В конструкциях большей толщины находящиеся в глубине ткани клетки страдают от недостатка питательных веществ и кислорода и лишены возможности удалять оксид углерода и другие токсичные продукты метаболизма. Они задыхаются и умирают.

Природа решает эту проблему, обеспечивая ткани сетью мельчайших тонкостенных кровеносных сосудов, питающих клетки и удаляющих отходы, и Колески и Льюис решили имитировать это ее важнейшее изобретение.

3D-печать прекрасно справляется с созданием тонко детализированных трехмерных структур, как правило, из инертных материалов, таких как пластмассы или металлы. Доктор Льюис и ее группа – пионеры в разработке широкого спектра новых чернил, затвердевающих в материалы с полезными электрическими и механическими свойствами. Такие чернила позволяют 3D-печати перейти от воспроизведения формы к воспроизведению присущей этой форме функции.

В человеческом организме сеть мелких кровеносных сосудов питает ткань и удаляет отходы. Дженнифер Льюис и ее коллеги разработали метод печати 3D тканевых конструкций, позволяющий создать единую структуру из нескольких типов клеток, «склеенных» в ткань
внеклеточным матриксом, со встроенной в нее сосудистой сетью. (Фото: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University)

Чтобы напечатать трехмерные тканевые конструкции с заданной структурой, исследователям были нужны функциональные чернила с полезными биологическими свойствами, и они разработали несколько биочернил, содержащих ключевые ингредиенты живых тканей. Одни чернила содержали внеклеточный матрикс – биологический материал, связывающий клетки в ткань. Вторые чернила содержали как внеклеточный матрикс, так и живые клетки. Чтобы создать кровеносные сосуды, исследователи разработали третьи чернила с необычным свойством: они плавятся при охлаждении, а не при нагревании. Напечатав сеть из нитей, расплавив их путем охлаждения материала и удалив образовавшуюся жидкость, они получили сеть полых трубок, имитирующих сосуды.

Чтобы оценить возможности и универсальность своего метода, ученые напечатали трехмерные тканевые конструкции с различной архитектурой. Кульминацией была конструкция со сложной структурой, содержащая кровеносные сосуды и три различных типа клеток. По сложности такая структура приближается к солидным тканям высших организмов.

Более того, введенные в сосудистую сеть человеческие эндотелиальные клетки образовали выстилку кровеносных сосудов. То, чего добились Льюис и ее коллеги – возможности поддерживать жизнь и рост клеток в такой тканевой конструкции, – важный шаг к печати человеческих тканей.

«В идеале, мы хотим, чтобы максимум работы делала сама биология», – комментирует доктор Льюис.

В настоящее время Льюис и ее группа занимаются созданием функциональных 3D тканей, пригодных для скрининга лекарственных препаратов, но, работая с печатными тканевыми конструкциями, ученые уже сейчас могут пролить свет на фундаментальные процессы, протекающие в живых тканях со сложной архитектурой, – на заживление ран, рост кровеносных сосудов, развитие опухолей, взаимодействие стволовых клеток с их нишами.

«Тканевые инженеры давно ждут появления такого метода», – говорит Дон Ингбер (Don Ingber), MD, директор-основатель Института Висса. «Возможность формировать функциональные сосудистые сети в 3D-тканях до их имплантации не только позволяет создавать ткани большей толщины, но и открывает перспективу хирургического подключения этих сетей к естественной васкулатуре, что, обеспечивая немедленную перфузию имплантированной ткани, значительно повысит ее приживление и выживаемость».

Оригинальная статья

3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs
http://wyss.harvard.edu/…ving-tissues

Стала возможной 3D-печать печени человека

2014 год может стать новой вехой для медицинских технологий, так как исследователи объявили, что они приблизились к созданию первого органа, напечатанного на 3D-принтере. Компания биотехнологий Organovo, базирующаяся в Сан-Диего, планирует использовать свою биопечатную технологию для печати в 3D печени человека к концу 2014 года. В интервью для онлайн издания ComputerWorld компания сказала, что она преодолела огромное препятствие при создании сосудистой системы, необходимой для обеспечения органов кислородом и питательными веществами.

Органы небольшого размера созданы при помощи биопечатной платформы «NovoGen», и как поясняет интернет-издание New Scientist, данный 3D-принтер основан на 20 слоях клеток печени и звездчатых клеток – двух основных типов клеток печени. Затем туда добавили клетки из выстилки кровеносных сосудов, чтобы «сформировать тонкую сеть каналов, которые обеспечивают клетки печени питательными веществами и кислородом, обеспечивая для тканей жизнеспособность в течение 5 дней или более».

Данные 3D-репродукции печени могут выполнять большинство функций настоящей печени: они производят протеины, генерируют холестерин и даже могут перерабатывать алкоголь.

«Мы верим, что эти модели докажут свое превосходство над моделями животных или существующими моделями клеток в способности предоставлять прогнозируемые данные для открытия новых лекарств и их разработки», – говорит Кейт Мерфи (Keith Murphy) председатель и генеральный исполнительный директор в компании Organovo.

Данные органы можно заражать какими-либо болезнями, а затем лечить различными медикаментами, чтобы обеспечить более точные результаты, чем тесты, проводимые на 2D-объектах. К тому же, 3D-печатные органы живут дольше, чем обычные 2D-структуры.

Вдобавок, как бы необычно это не звучало, Organovo верит, что в будущем они смогут создать более большую «печень», которую можно будеть использовать в трансплантации, что означает развитие технологии до 3D-печати сетей кровеносных сосудов, которые по размеру будут равны настоящим человеческим сосудам, чтобы они были в состоянии питать целый орган.

В 3-D биопринтинге впервые использованы клетки сетчатки глаза

Последнее достижение ученых Кембриджского университета (University of Cambridge), подробно описанное в статье, опубликованной в журнале Biofabrication (IOP Publishing), приближает производство трансплантатов из искусственных тканей, состоящих из различных типов клеток сетчатки человеческого глаза, и в перспективе может помочь в излечении слепоты. Это первый пример успешного применения метода 3-D печати на зрелых клетках центральной нервной системы.

Потеря нервных клеток сетчатки – характерная черта многих глазных болезней, приводящих к слепоте. Сетчатка – чрезвычайно тонко организованная структура, в которой важнейшим условием эффективности зрительной функции является точное месторасположение клеток.

Возможность создавать из клеток точно заданные модели и структуры в последнее время значительно повысила интерес к использованию в области регенеративной медицины такого метода, как 3D-печать.

В своем исследовании английские ученые использовали пьезоэлектрический струйный принтер, выбрасывающий клетки через сопло диаметром менее миллиметра под действием определенного электрического импульса. Кроме того, была использована технология высокоскоростного видео, позволяющая записывать процесс печати с высоким разрешением, чтобы в дальнейшем оптимизировать его.

Клетки сетчатки в струе крупным планом.
Чтобы получить хорошее качество печати,свойства жидкости, поступающей из печатающей головки принтера, такие как вязкость и поверхностное натяжение, должны находиться в достаточно узком диапазоне значений. Добавление к жидкости клеток значительно изменяетэти свойства. (Фото: University of Cambridge)

Исследователи работали с ганглиозными клетками – передающими информацию от глаза в определенные части головного мозга – и клетками глии, обеспечивающими поддержку и защиту нейронов. Чтобы оценить, сколько клеток пережило процесс печати и как это повлияло на их состояние, ученые провели ряд экспериментов, которые показали, что оба типа клеток хорошо переносят эту процедуру – остаются здоровыми и сохраняют способность к выживанию и росту в культуре.

«Наше исследование впервые показало, что клетки-производные зрелой центральной нервной системы – глаза – могут использоваться в 3-D печати с помощью пьезоэлектрического струйного принтера. Хотя полученные результаты носят предварительный характер и впереди еще очень много работы, нашей целью является дальнейшее развитие этой технологии для будущего ее использования для восстановления сетчатки», – говорит соавтор исследования профессор Кит Мартин (Keith Martin) из Центра восстановления мозга (Centre for Brain Repair) Кембриджского университета.

На данный момент результаты этой работы можно рассматривать только как доказательство состоятельности самого подхода – использования струйного принтера на двух типах клеток сетчатки взрослых крыс. Однако ученые не собираются останавливаться на достигнутом.

«Мы планируем расширить рамки нашего исследования – попытаемся печатать другими клетками сетчатки и выяснить, можно ли в рамках этой технологии использовать светочувствительные фоторецепторы. Кроме того, нам хотелось бы усовершенствовать сам процесс печати, чтобы сделать его пригодным для коммерческих принтеров с многосопловыми печатающими головками», – заключает профессор Мартин.

Оригинальная статья

Adult rat ganglion cells and glia can be printed by piezoelectric inkjet printer

Источник:http://www.cam.ac.uk/…e-first-time#…

Оригинал взят у

scienceblogger в Десять перспективных технологий, вокруг которых ещё не успел подняться шум

Оригинал взят у

gad_v_zilla в Десять перспективных технологий, вокруг которых ещё не успел подняться шум

Каждый год аналитическая компания Gartner публикует отчёт, раскладывающий перспективные технологии по полочкам. Один список — технологии, которые угодили в эпицентр медийной шумихи. Другой список — технологии, интерес к которым пошёл на спад. Но интереснее всего третий список — технологии, которые наберут популярность лишь через несколько лет.
В Gartner считают, что жизненный цикл каждой перспективной технологии можно разделить на несколько стадий. Всё начинается с идеи, о которой знают в лучшем случае исследователи, да и то не все. С этой точки технология начинает восхождение на пик завышенных ожиданий. Чем выше она забирается по его склону, тем больше внимания привлекает. На вершине пика о ней слышали все, её без конца обсуждают в СМИ, а стартапы, которые занимаются этой технологией, множатся, как грибы после дождя.

( О чём заговорят через несколько лет... )

БАНК ИНДУЦИРОВАННЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК: БУДУЩИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ ОРГАНЫ

В Японии начались работы по созданию первого в мире общенационального банка индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), которые в будущем могут стать основой для выращивания новых органов. Мы предлагаем вам ознакомиться с рядом новейших достижений и открытий, связанных с исследованиями ИПСК.

Центр исследований ИПСК при Киотском университете начал работы по созданию банка ИПСК для дальнейшего использования в медицинских и исследовательских целях.

Выращивание новых органов на основе плюрипотентных стволовых клеток – перспективное направление, работы в котором ведутся учеными со всего мира. Существующие методики позволяют превратить стволовые клетки в ткань, готовую к трансплантации, однако на практике остро стоит проблема биологической совместимости: организм вполне может «не признать» новые ткани и отторгнуть их. Один из вариантов решения это проблемы – использовать для получения ИПСК собственные клетки пациента, однако этот метод является весьма дорогостоящим и занимает слишком много времени. Но есть и альтернатива: получать клеточный материал от доноров, лейкоциты которых содержат редкий антиген, снижающий риск отторжения. Еще весной этого года в Японии был начат поиск людей, кровь которых обладает этим редким качеством.

Если полученные клетки будут признаны безопасными, исследовательские институты смогут получить их уже в апреле 2014 года.

К концу будущего года предполагается накопить биологические материалы, не вызывающие реакции отторжения примерно у 20% населения страны. "За пять лет мы вырастим и накопим стволовые клетки, из которых можно будет производить органы, не вызывающие реакции отторжения у 30-50% жителей Японии, - заявил ИТАР-ТАСС представитель исследовательского центра. - Через десять лет уже примерно 80-90% населения страны смогут рассчитывать в случае болезни на пересадку органов, выращенных из стволовых клеток нашего банка".

Эмбриональные стволовые клетки: у истоков жизни

Первые линии мышиных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК)были получены еще в 1981 году. Выделение человеческих ЭСК считают одним из трех важнейших открытий XX века в биологии.

Одна-единственная клетка, направленная по нужному пути развития, может стать любой из более чем 220 видов клеток нашего организма, со всеми её уникальными и чрезвычайно сложными функциями – это свойство называется «плюрипотентностью». Эмбриональные стволовые клетки можно выращивать в искусственных условиях, что открывает широкие перспективы использования в регенеративной медицине. Их получают из внутренней клеточной массы бластоцисты на ранней стадии развития зародыша, что создает ряд этических проблем, когда речь заходит о терапевтическом применении стволовых клеток.

Фибробласты мыши: нити актина выкрашены фиолетовым, микротрубочки – желтым, клеточное ядро – зеленым

Перепрограммирование: неэмбриональные стволовые клетки

В настоящее время существуют методы, позволяющие получить плюрипотентные клетки из зрелых клеток человеческого организма, исключив использование эмбрионов. Одним из основоположников методики перепрограммирования зрелых клеток в плюрипотентные стал профессор Шинья Яманака. Сейчас он возглавляет Центр исследований ИПСК, в котором начались работы по созданию единственного в своем роде банка стволовых клеток.

Еще в 2006 году Яманака и его коллега Казутоши Такахаши смогли превратить соматические клетки мышей в клетки, обладающие многими свойствами плюрипотентных клеток эмбриона. Для этого в фибробласты (основные клетки соединительной ткани) были встроены гены четырех белков – факторов транскрипции, активирующих конкретные фрагменты наследственной информации (впоследствии эти белки получили название «факторы Яманаки»). Эти четыре гена, носителями которых выступали ретровирусы, смогли превратить фибробласт в неспециализированную клетку и принесли Яманаке Нобелевскую премию. А в июне 2007 года исследователи из Киото и еще два коллектива сообщили, что точно тем же способом они осуществили более глубокую трансформацию такого же исходного материала и создали практически точные копии мышиных ЭСК. Всего несколькими месяцами позже подобное «превращение» было произведено и с человеческими клетками. Эти клетки, получившие название ИПСК, стали предшественниками клеток сердечной мышцы, нервной ткани и некоторых других органов.

Дифференцировка проэритробласта в эритроцит
А - проэритробласт; Б - базофильный эритробласт; В - полихроматофильный эритробласт; Г - ацидофильный эритробласт (нормобласт); Д - выталкивание ядра из ацидофильного эритробласта; Е - ретикулоцит; Ж - пикнотичное ядро.

ИПСК из кровяных клеток

Получение плюрипотентных клеток из зрелых клеток крови имеет ряд очевидных преимуществ перед использованием другого исходного материала. Процедура забора крови для последующего переливания и исследований широко используется во всем мире, объем и состав крови относительно быстро восстанавливается.

Однако красные кровяные клетки, эритроциты, которые переносят кислород и углекислый газ, не имеют ядра и, следовательно, не несут генетической информации. Для того, чтобы превратить их в плюрипотентные стволовые клетки, ученым потребовалось пойти на хитрость.

Эритроциты не рождаются лишенными ядра. Оно исчезает из них в ходе эритропоэза – сложного процесса, включающего множество этапов дифференцирования и «созревания» красных кровяных телец. Начинается оно с гемоцитобласта, полипотентной стволовой клетки, которая способна стать любой клеткой крови или лимфы. В несколько этапов, превращаясь в ряд клеток-предшественниц, она становится зрелым эритроцитом, готовым к работе.

Потеря ядра клетки происходит на одном из завершающих этапов этого процесса, так что теоретически любая из промежуточных форм «недозревшего» эритроцита несет весь необходимый генетический материал и может использоваться для того, чтобы развернуть процесс созревания вспять и получить полипотентную стволовую клетку, а из нее – и плюрипотентную.

Группа американских ученых во главе с Элиасом Замбидисом смогла превратить в ИПСК проэритробласты, которые можно получать из костного мозга пациента. Группа Замбидиса использовала для доставки необходимых генов, кодирующих факторы Яманаки, не вирусы, а плазмиды, более бережно вносящие изменения в геном.

Впрочем, получение проэритробластов – непростая задача, поэтому ученые ищут возможности превращения в плюрипотентные тех клеток, которые присутствуют в донорской крови. Так, команда исследователей под руководством Чжана Сяобина продемонстрировала метод перепрограммирования мононуклеарных (содержащих ядро) клеток крови, к которым относятся лимфоциты, моноциты и макрофаги.

Яманака и его коллеги занимаются усовершенствованием методик преобразования T-лимфоцитов и других кровяных клеток в ИПСК с помощью плазмид.

Колонии химически индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и мыши-химеры, развившиеся из эмбрионов с такими клетками.

Химическое перепрограммирование

Чтобы снизить риск возникновения опасных мутаций или рака в результате терапии стволовыми клетками, «перепрограммированными» при помощи введения дополнительных генов, ученые стремятся сократить количество дополнительных генов, необходимых для получения таких клеток. Но всегда требовался как минимум один кодирующий белок Oct-4.

Исследователи из Пекина изучили тысячи низкомолекулярных соединений в поисках того, которое сможет перепрограммировать клетки без участия Oct-4, но в присутствии трех других генов, необходимых для получения ИПСК. Обнаружив такое соединение, ученые занялись поиском заменителей и для трех оставшихся генов, участвующих в перепрограммировании. Добавив DZNep – соединение, катализирующее процесс перепрограммирования на поздней стадии – ученые наконец получили стволовые клетки, но в очень малых количествах. Потребовалось добавить еще одно соединение, чтобы поднять эффективность процесса в 40 раз.

В результате исследователи, составив «коктейль» из нескольких соединений, смогли добиться превращения в стволовые клетки 0,2% от их исходного количества – результат, сопоставимый с эффективностью современных методик получения ИПСК. Полученные клетки, введенные в эмбрионы мышей, успешно дифференцировались в различные типы тканей, в том числе печени, сердца, мозга, кожи и мышц.

Перепрограммирование in vivo

Многие ученые сходятся во мнении, что процессы, происходящие в живом организме, будут мешать проведению перепрограммированию соматических клеток в плюрипотентные in vivo. Естественное развитие – это дорога с односторонним движением, и всё в живом организме способствует дифференциации клеток, препятствуя обратному процессу.

Но Мануэль Серрано из испанского Национального онкологического исследовательского центра в Мадриде и его коллеги доказали ошибочность данного предположения. Гены, запускающие перепрограммирование, уже содержались в геноме использованных в их экспериментах трансгенных мышей, и «включались» при приеме определенного препарата.

Хотя методика Серрано пока еще находится на начальном этапе развития, ученые рассчитывают, что в модифицированном виде её можно будет использовать для регенерации поврежденных тканей.

Рост и самоорганизация культуры клеток, превращающейся в «зародыш» печени.

Органы на вырост

Основная область, в которой могут быть использованы плюрипотентные стволовые клетки – это выращивание новых органов для последующей трансплантации. Базовая технология выращивания органов, или тканевой инженерии, заключается в использовании стволовых клеток для получения специализированных клеток той или иной ткани, например гепатоцитов – клеток паренхимы (внутренней среды) печени. Эти клетки затем помещаются внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена, либо наносятся слой за слоем с помощью биопринтера.

Подобным образом (на коллагеновой матрице) ученым удалось вырастить новое сердце, состоящее из человеческих клеток, в организме мыши, и заставить его забиться. Ведутся эксперименты и по выращиванию «зародышей» печени, которые способны приживаться в организме и выполнять возложенные на них природой функции.

Хотя замена жизненно важных органов вроде сердца или печени их выращенными аналогами – все еще дело будущего, технологии для получения этих органов в лаборатории уже отрабатываются, а более простые задачи – например, замена участка трахеи на искусственно созданный – уже решены на практике.

Мыши из клетки

Плюрипотентные стволовые клетки можно использовать не только для выращивания отдельных органов – на их основе можно получить целый организм. Ученые научились превращать ИПСК в жизнеспособные сперматозоиды и яйцеклетки, встреча которых увенчалась появлением потомства без родителей – совершенно здоровых мышат.

Будущий фарш

Еда из пробирки

Теоретически, ИПСК могут быть использованы и для получения материи, обреченной на съедение – искусственного мяса. Однако на данном уровне развития технологий этот метод будет слишком дорогостоящим. Даже котлетка для гамбургера, выращенная из миобластом (клеток, присутствующих в мышечной ткани взрослых животных и способных заменять собой поврежденные мышечные волокна, превращаясь в миоциты), обошлась своим создателям в $375 000.

Альтернатива: клонирование

Еще 15 лет назад технологии создания человеческих тканей путем клонирования клеток прочили великое будущее. Но в последующие годы методика была окутана этическими разногласиями, дискредитирована шарлатанами и, наконец, оставлена в тени конкурирующей технологией – перепрограммированием зрелых клеток в плюрипотентные.

Но многие исследователи по-прежнему считают клонирование клеток для получения плюрипотентных линий перспективным направлением. В их числе доктор Шухрат Миталипов, специалист в области репродуктивной биологии из Орегонского университета здоровья и науки (Oregon Health & Science University). Ему удалось создать индивидуальные линии эмбриональных стволовых клеток человека путем клонирования. Миталипов и его команда стремятся доказать, что капризный метод клонирования стоит затраченных на него усилий.

Ученые не исключают, что плюрипотентные клетки перепрограммируются не полностью и уступают клонированным по ряду показателей. Миталипов и его команда сейчас заняты сравнением клонированных и перепрограммированных клеток, и многие их коллеги с нетерпением ожидают результатов.

http://www.popmech.ru/article/14471-bank-indutsirovannyih-stvolovyih-kletok-buduschie-organyi/

«Биоручка» позволит «рисовать» имплантаты прямо во время операции

Новая техника, стимулирующая регенерацию повреждённых тканей, упростит восстановление после тяжёлых травм.

Австралийские учёные во главе с Гордоном Уоллесом (Gordon G. Wallace) из Вуллонгонгского университета создали BioPen — устройство, способное доставлять живые клетки и факторы роста непосредственно к месту ранения. Это ускоряет регенерацию костей и хрящей, повреждённых в результате травмы.

По сути, портативная «биоручка» позволит хирургам создавать «кастомные» имплантаты прямо во время операции, на кости пациента. (Здесь и ниже фото UOW.)

По сути, BioPen работает как 3D-принтер, только вместо чернил/пластика использует живые клетки, упакованные в биополимер, например, такой как альгинат (экстракт из водорослей), защищённый вторым внешним слоем гелевого материала, который не позволяет смеси высохнуть.

Два гелевых слоя составляют внешнюю часть кончика «ручки»; во время операции они выдавливаются на поверхность кости, которую хирург «разрисовывает», заполняя повреждённую часть этой «пастой».

В BioPen интегрирован источник ультрафиолета, задача которого — облучение «пасты» после её нанесения. Материал, сохраняя необходимую проницаемость, при этом твердеет, что защищает находящиеся внутри него клетки от давления окружающих тканей. Затем, при необходимости получения ещё большей толщины, процедура повторяется, создавая второй и последующие слои.

После доставки клеток к месту назначения они начнут делиться, а затем и дифференцироваться в нервные, мускульные и клетки костной ткани; при достижении нужной численности образуются клеточные сообщества с функциональной активностью, соответствующей той, что имела место в кости до травмы.

Примерно так будет происходить обработка повреждённого участка и на кости пациента.

Представленный австралийскими исследователями способ обработки кости не только ускоряет заживление и сокращает время операции (после сложных переломов), но и, скорее всего, станет своеобразной панацеей при острых повреждениях костной ткани с разрушением значительной части той или иной кости, что встречается сплошь и рядом после спортивных травм или дорожно-транспортных происшествий.

Сейчас учёные готовят разработку к клиническим испытаниям, надеясь, что они будут успешными и откроют их изобретение всему медицинскому миру.

Подготовлено по материалам Вуллонгонгского университета.

Александр Березин

Легкие для трансплантации можно будет получать из собственных клеток пациента

Фотография: zipheal.com

Сделан первый шаг для получения искусственного легкого из собственных клеток пациента: ученым удалось получить функциональные клетки легких и дыхательных путей из фибробластов кожи человека. Проблема, которая состоит в том, что легкие плохо приживаются при трансплантации, может быть решена.

Соответствующая работа опубликована в журнале Nature Biotechnology специалистами Медицинского центра Колумбийского университета .

Исследователи подобрали условия и факторы, которые превращают плюрипотентные, то есть малоспециализированные, клетки в клетки — предшественники легких и дыхательных путей. А плюрипотентные клетки, в свою очередь, получили из клеток фибробластов кожи. Судя по биохимическим маркерам, исследователям удалось получить из клеток-предшественников функциональные клетки легких и дыхательных путей шести типов, в том числе базальные, бокальчики, клетки мерцательного эпителия, альвеолярные клетки первого типа, участвующие в газообмене, и альвеолярные клетки второго типа (АКII), которые синтезируют и выделяют сурфактант — субстанцию, которая смазывает поверхность легочных альвеол и не позволяет им слипаться. Эти же клетки участвуют в восстановлении механических повреждений легочной ткани.

Полученные результаты исследователи планируют использовать для получения клеточных моделей легочных заболеваний, связанных с дефицитом сурфактанта, аденокарциномы легких и идиопатического легочного фиброза, в развитии которого предположительно большую роль играют АКII.

Это тяжелейшее заболевание, связанное с повреждением и утолщением стенок легочных альвеол, приводящее к необратимому прогрессирующему снижению функции легких.

Настоящих причин развития этой болезни никто не знает, и лечить ее не умеют. В тяжелых случаях пациенту может помочь только пересадка легких. Ученые планируют исследовать молекулярные механизмы возникновения идиопатического легочного фиброза и других заболеваний дыхательной системы и подобрать для них эффективные лекарства. Еще одно возможное использование новой технологии — исследование развития легких человека.

Поскольку методика позволяет получить из клеток кожи клетки большинства типов дыхательной системы, ученые надеются с ее помощью решить коренную проблему трансплантации: получение искусственного легкого из собственных клеток — предшественников пациента.

Эту технологию исследователи разрабатывают совместно со специалистами кафедры биомедицинской инженерии Колумбийского университета.

Первые эксперименты ученые провели на фрагментах легкого человека толщиной всего 2 мм. Их обработали ферментами, которые удаляют все клетки, оставляя только каркас легкого, не поврежденный механическими воздействиями. Этот каркас, помещенный в питательную среду, заселили клетками — предшественниками легких, которые успешно там делились, дифференцировались и синтезировали необходимые функциональные белки.

В дальнейшем исследователи планируют выращивать по этой технологии целое легкое из собственных клеток пациента, что решит проблему отторжения трансплантата, но это дело далекого будущего.

К настоящему времени наука добилась успеха в превращении стволовых клеток человека в клетки разных органов и тканей. Из стволовых клеток сделали клетки печени, мышцы, кровеносные сосуды, слезные и слюнные железы и даже нейроны и клетки внутреннего уха. Получение клеток легких и дыхательный путей — последний штрих, дополняющий картину потенциальных возможностей регенеративной медицины.

Ученые впервые получили клетки внутреннего уха мыши из стволовых клеток

Компании Organovo удалось «напечатать» функционирующие в течение 40 дней образцы печени

Само собой, о печати целой печени, как готового к пересадке органа, говорить еще рано. Но ученые и инженеры подбираются к решению этой проблемы все ближе. К примеру, стартап Organovo, занимающийся как раз решением таких вопросов, смог показать отличный результат: образцы «напечатанной» при помощи 3D-биопринтера печени нормально функционировали в течение 40 дней.

При этом указанные образцы не просто жили, но и показывали стандартную для печени реакцию на разного рода вредные вещества (вредные для организма человека). Стоит отметить, что эта же компания еще в апреле рапортовала о «печатных» образцах печени, которые могли функционировать в течении пяти дней. Как видим, менее, чем за полгода специалисты Organovo добились впечатляющего прогресса.

К слову, сейчас основная проблема, которая приводит к текущей невозможности печатать целую печень — это кровеносные сосуды, пронизывающие этот орган. Само собой, в Organovo научились печатать образцы печени (из живых клеток, наслаивая их друг на друга), но вот кровеносные сосуды, капилляры, печатать еще никто не умеет.

Тем не менее, специалисты стараются преодолеть и эту проблему, так что надежда на скорое решение есть. Organovo планирует использовать свои образцы печени в «3D Human Liver Project» уже в следующем году. Этот проект предусматривает создание частей органов человека, на которых будет тестироваться влияние того либо иного медицинского препарата. Результаты таких испытаний должны быть, по словам специалистов, гораздо надежнее, чем испытания, проводимые на животных.

http://www.dvice.com/2013-11-6/3-d-printed-liver-slices-are-able-function-normally-40-days

Биочернила из модифицированного желатина для 3D-печати

То, что сегодня кажется фантастикой – выращивание искусственных тканей и органов, – уже несколько лет разрабатывается в лабораториях ученых. 3D-биопринтингом – печатью тканей с помощью струйных принтеров – занимаются и в Институте межфазной инженерии и биотехнологий Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, IGB) в Штутгарте. Одну из своих последних разработок немецкие ученые представили на выставке Biotechnica, проходившей в Ганновере 8–10 октября 2013 г.

По данным Немецкого фонда трансплантации органов (German Organ Transplantation Foundation), количество доноров органов в первой половине 2013 года снизилось более чем на 18 процентов по сравнению с тем же периодом предыдущего года. В то же время можно с уверенностью сказать, что спрос на органы будет постоянно расти, потому что мы продолжаем стареть, а область трансплантационной медицины постоянно развивается. Многие серьезнейшие заболевания уже сегодня можно успешно лечить заменой клеток, тканей или органов. Поэтому ученые упорно работают над усовершенствованием методов производства искусственных тканей. Это то, чем можно восполнить дефицит донорских органов.

Решающую роль в этой области может сыграть технология, с которой все мы хорошо знакомы, но большинство из нас, конечно, не связывают ее с производством искусственных тканей. Это струйный принтер. Ученые из IGB достигли значительного успеха в разработке биочернил, пригодных для использования в биопечати.

Ученые используют струйные принтеры. (Фото: © Fraunhofer IGB)

Эти прозрачные жидкости состоят из компонентов природного тканевого матрикса и живых клеток. Новые биочернила основаны на хорошо известном биологическом материале – желатине. Желатин получают из коллагена – основного компонента соединительной ткани. Чтобы адаптировать биологические молекулы для печати, исследователи модифицировали гелеобразующие свойства желатина. В отличие от немодифицированного желатина, быстро образующего гидрогель, биочернила в процессе печати остаются жидкими. Жидкость превращается в гидрогель только после облучения ультрафиолетовым светом, сшивающим молекулы коллагена.

Полимеры из модифицированного желатина – как и природные ткани – содержат огромное количество воды, но остаются стабильными в водной среде и при нагревании до физиологических 37°С. Химическую модификацию биологических молекул можно контролировать, с тем чтобы получать гели с различными характеристиками прочности и набухания. Это позволяет имитировать свойства разных естественных тканей – от твердого хряща до мягкого жира.

В Штутгарте печатаются и синтетические материалы – искусственные заменители внеклеточного матрикса. Примером тому система, которая при отверждении дает гидрогель, лишенный побочных продуктов, и может быть немедленно заполнена живыми клетками. Но на данный момент наибольшее внимание ученые уделяют «естественному» варианту гидрогелей.

«Несмотря на то, что синтетические гидрогели обладают большим потенциалом, нам еще многое нужно узнать о взаимодействиях между искусственными веществами и клетками или природными тканями. Наши основанные на биомолекулах варианты обеспечивают клетки естественной средой и поэтому могут стимулировать самоорганизацию клеток в модель функциональной ткани», – объясняет доктор Кирстен Борхерс (Kirsten Borchers), представлявшая новую разработку на выставке.

Принтеры в лаборатории в Штутгарте имеют много общего с обычными офисными принтерами – различия обнаруживаются только при ближайшем рассмотрении. Например, нагреватель на чернильном контейнере, с помощью которого устанавливается температура биочернил. Кроме того, у биопринтеров меньше струй и резервуаров, чем у их офисных «коллег».

«Нам хотелось бы увеличить их количество, чтобы одновременно печатать разными чернилами с разными клетками и матриксами. Так мы сможем приблизиться к воспроизведению сложных структур и различных типов тканей», – говорит Борхерс.

В лаборатории, а не в офисе: для нанесения клеточных суспензий на переливающиеся розовые пластинки из гидрогеля, препятствующие высыханию,
Большой проблемой на данный момент является создание васкуляризированной ткани. Это означает, что ткань должна иметь свою собственную систему кровеносных сосудов, снабжающую ее питательными веществами. Вместе с партнерами IGB работает над этой проблемой в рамках проекта ArtiVasc 3D при поддержке Европейского Союза. Сутью этого проекта является технологическая платформа для создания мелких кровеносных сосудов из синтетических материалов и первой искусственной кожи с ее подкожной жировой клетчаткой.

«Этот этап очень важен для будущей печати тканей или целых органов, – комментирует Борхерс. «Печать более крупных тканевых структур станет возможной только тогда, когда мы достигнем успеха в получении ткани, которая питается системой кровеносных сосудов».

Источник - http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2013/oktober/need-different-types-of-tissue-just-print-them-2.html

Для тех, кому интересны технологии биопечати - 2009 год TED MED

Печатный имплантат из витамина В2

Исследователи из Университета штата Северной Каролины, Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл (США) и Лазерного центра Ганновера (Германия) обнаружили, что природное соединение – рибофлавин, или витамин В2, можно использовать при трехмерной печати медицинских имплантатов. Это сделает имплантаты безопасными для пациента и решает проблему биосовместимости.

Во время эксперимента ученые сосредоточилась на технологии 3D-печати, называемой двухфотонная полимеризация. Именно эта технология позволяет создавать небольшие объекты в высоком разрешении, например, такие как каркасная структура тканей, микроиглы и другие устройства для доставки лекарств внутри организма. Данный метод изготовления миниатюрных изделий позволяет создавать мелкие структуры из многих типов фотореакционных жидкостей. Жидкости содержат химические вещества, которые реагируют на свет, превращая жидкость в твердый полимер.

Однако двухфотонная полимеризация имеет свои недостатки. В частности, фотореактивные жидкости содержат токсичные вещества, а это значит, что использование таких материалов для изготовления медицинских устройств проблематично, особенно если напечатанное устройство будет непосредственно соприкасаться с телом. Именно токсичность серьезно тормозит использование новых технологий для спасения людских жизней.

Витамин В2, рибофлавин, является перспективным материалом для изготовления медицинских имплантатов

Но теперь исследователи решили эту проблему. Оказалось, что рибофлавин (витамин В2) можно смешать с исходным материалом для печати и изготовить таким образом безопасную фотореактивную жидкость. Рибофлавин – и это одно из главных его преимущество – нетоксичен, безвреден для пациентов. Кроме того, этот материал, содержащийся во многих продуктах от спаржи до творога, абсолютно биосовместим. Предполагается, что это открытие сделает прорыв в производстве медицинских имплантатов и значительно улучшит качество медицинской помощи.

http://rnd.cnews.ru/tech/news/line/index_science.shtml?2013/10/25/547166

Биопринтеры

3D печать – это широко применяемое цифровое производство разнообразных пластиковых и металлических изделий. Хотя эта технология сама по себе уже может вызвать производственную революцию, гораздо более поразительно развитие биопринтеров.

Технологии биопечати

Они искусственным способом создают живую ткань, накладывая живые клетки слой за слоем. В настоящее время все биопринтеры являются экспериментальными, тем не менее, в будущем они смогут произвести революцию в медицине.

Биопринтеры могут иметь разные конфигурации, но принцип работы один: они выводят клетки из печатающей головки, которая движется влево-вправо, вперед-назад, вверх- вниз, чтобы поместить клетки куда требуется. Таким образом, за несколько часов можно получить органический объект, который состоит из огромного количества очень тонких слоев.

В дополнение к выводу клеток, большинство биопринтеров также выводят растворимый гель для поддержки и защиты клеток во время печати.

Пионеры биопечати

Несколько экспериментальных биопринтеров уже было создано. Например, в 2002 году профессор Макото Накамура увидел, что капли чернил в стандартном струйном принтере имеют примерно такой же размер, как клетки человека. После этого он адаптировал технологии и в 2008 году создал рабочую модель биопринтера, которая осуществляет печать биотрубочек, похожих на кровеносные сосуды. Профессор Накамура надеется, что со временем можно будет буквально распечатывать внутренние органы, готовые к трансплантации.

Другим пионером в области биопечати является компания Organovo, которая была создана исследовательской группой под руководством профессора Габора Форгача (Gabor Forgacs) из университета Миссури. С марта 2008 года Organovo задалась целью создать технологии биопечати функционирующих кровеносных сосудов и сердечной ткани с помощью клеток, полученных из тканей цыпленка. Эта работа опирается на прототип биопринтера с тремя печатающими головками. Первые две головки выводят кардио- и эндотелиальные клетки, в то время как третья выделяет коллагеновую основу – так называемую “био-бумагу” – для поддержки клеток во время печати.

С 2008 года Organovo работала с компанией Invetech для создания коммерческих биопринтеров под названием NovoGen MMX. В этот биопринтер загружаются биочернильные сфероиды, наполненные десятками тысяч клеток. При печати NovoGen создает первый слой на био-бумаге, изготовленной из коллагена, желатина или других гидрогелей. Затем в него вводятся (впрыскиваются) биочернильные сфероиды. Слой добавляется за слоем до создания конечного объекта.

Удивительно, но природа берет свое, и биочернильные сфероиды медленно сливаются. После этого биобумага растворяется или удаляется другим способом, и в результате получается ткань или орган, напечатанный с помощью биопринтера.

Как продемонстрировала компания Organovo, при использовании процесса биопечати не обязательно печатать орган во всех деталях. Достаточно правильно расположить соответствующие клетки в ряды, а природа сама завершит работу. Этот процесс красноречиво свидетельствует о том, что клетки, содержащиеся в биочернильных сфероидах способны перестраиваться после печати. Например, экспериментальные сосуды были напечатаны с помощью биопринтера с использованием биочернильных сфероидов и состояли из совокупности тканей эндотелия, гладких мышц и фибробластов. После того, как они были выстроены (уложены в слои) головкой биопринтера, эндотелиальные клетки мигрировали внутрь созданных кровеносных сосудов, клетки гладкой мускулатуры двигались в середину, а фибробласты мигрировали наружу без дополнительного вмешательства.

Клетки более сложных тканей и органов, например, капилляров и других внутренних структур, после печати на биопринтере также самостоятельно принимают естественное положение. Этот процесс может показаться почти волшебным. Однако, как объясняет профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs), он ничем не отличается от процесса, который происходит в клетках эмбриона, которые “знают”, как правильно расположиться и сформировать сложные органы. Природа развила эту удивительную способность за миллионы лет. Соответствующие типы клеток, оказавшись в нужных местах, каким-то образом знают, что им делать.

В декабре 2010 года компания Organovo создала при помощи биопринтера первые кровеносные сосуды с использованием клеток, полученных от одного донора. Компания также успешно имплантировала нервы, созданные при помощи биопринтера, крысам, а эксперименты по пересадке созданных таким методом тканей человеку запланированы на 2015 год. Тем не менее, ожидается, что первое коммерческое применение биопринтеров будет заключаться в производстве простых человеческих структурных тканей для токсикологических испытаний. Это позволит ученым тестировать лекарства на моделях печени и других органах, созданных на биопринтере, тем самым снижая потребность в экспериментах на животных.

Со временем, как только испытания на человеке будут завершены, Organovo надеется, что биопринтеры будут использовать для получения трансплантатов кровеносных сосудов и применяться в операциях по шунтированию сердца. Намерения компании включают масштабную разработку технологий создания тканей и органов “на заказ”. Для реализации этой задачи исследователи в настоящее время работают над созданием крошечных механических устройств, которые могут осуществлять искусственную тренировку и, следовательно, укреплять мышечные ткани, созданные на биопринтере, до имплантирования в тело пациента.

Organovo ожидает, что первым искусственно созданным человеческим органом станет почка, так как при трансплантации эти органы наиболее востребованы. Первые почки, созданные на биопринтере, не обязательно должны выглядеть и функционировать так же, как их природные аналоги. Главное, чтобы они очищали кровь от продуктов обмена.

Регенеративная основа и кости

Еще одна группа исследований, преследующая долговременную цель получения человеческих органов “на заказ”, создала биоплоттер Envisiontec Bioplotter. Как и NovoGen MMX компании Organovo, этот биоплоттер выводит биочернильные тканевые сфероиды и вспомогательные материалы, включающие поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста. Помимо этого Envisontec также может печатать более широкий спектр биоматериалов – биоразлагаемые полимеры и биокерамику, которая может быть использована для поддержки и придания формы искусственным органам. Эти материалы, созданные на биопринтере, могут быть использованы даже в качестве заменителя костей.

Команда под руководством Джереми Мао в лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины Колумбийского университета (Tissue Engineering and Regenerative Medicine Lab) работает над применением биопринтеров для замены зубов и костей. В настоящее время экспериментально создана решетчатая 3D-конструкция в форме резца и имплантирована в челюстную кость крысы. Эта структура состоит из микроканалов, которые наполнены веществами, стимулирующими развитие стволовых клеток. Всего через девять недель после имплантации они вызвали рост периодонтальной связки и образование альвеолярного отростка. Со временем эти исследования могут дать людям возможность иметь новые зубы, созданные на биопринтере, или получить их путем стимуляции организма к образованию собственных новых зубов.

При проведении другого эксперимента команда Мао имплантировала решетчатую структуру, созданную на биопринтере, в район бедренной кости нескольким кроликам. И снова эта конструкция была насыщена факторами роста. Как сообщил медицинский журнал The Lancet, в течение четырех месяцев у всех кроликов образовались новые, полностью функциональные суставы вокруг этой решетки. Некоторые кролики даже начали передвигаться и переносить вес на свои новые суставы уже через несколько недель после операции. В следующем десятилетии люди, нуждающиеся в эндопротезировании, уже смогут получить новые тазобедренные суставы и другие кости, созданные с помощью технологии биопечати. Команда из Университета штата Вашингтон недавно сообщила о результатах четырех лет работы с использованием 3D-принтера для создания костеподобного материала, который в будущем может быть использован для восстановления поврежденных человеческих костей.

Биопечать In Situ

Вышеупомянутый научный прогресс со временем позволит получать в лабораториях органы с помощью биопринтеров из собственных клеток пациента, что может привести к революции в медицине. Тем не менее, другие исследователи пытались пойти дальше и разработать методы, позволяющие распечатать новую ткань или орган непосредственно на теле. В следующем десятилетии врачи получат возможность просканировать раны и нанести слои клеток для их быстрого заживления.

В настоящее время команда исследователей биопечати под руководством Энтони Алата (Anthony Alata) в Wake Forrest School of Medicine разработала принтер, создающий кожу. В начальных экспериментах они взяли 3D-сканы тестовых травм, нанесенных мышам, и использовали эти данные для управления головкой биопринтера, которая распыляет клетки кожи, коагулянты и коллаген на рану. Результаты этого эксперимента оказались также весьма многообещающими: заживление ран проходило всего за две – три недели (примерно пять-шесть недель – в контрольной группе).

Частичное финансирование проекта создания кожи с помощью биопринтера осуществляется американскими военными, которые добиваются развития биопечати in situ, чтобы лечить раны прямо в боевых условиях. В настоящее время работа все еще находится в фазе доклинических испытаний. Алата развивает технологии, экспериментируя на свиньях. Тем не менее, испытания на людях, пострадавших от ожогов, могут быть осуществлены в течение ближайших пяти лет.

Потенциал для использования биопринтеров для восстановления поврежденных тканей и органов нашего тела in situ просто колоссальный. Возможно уже в следующем десятилетии станет возможным создание роботизированной хирургической руки с наконечником в виде головки биопринтера, которая будет проникать в тело и осуществлять восстановление повреждений на клеточном уровне. Пациентам по-прежнему нужно будет отдыхать и восстанавливать силы в течение нескольких дней, пока созданный биопринтером материал полностью станет зрелой живой тканью. Тем не менее, большинство пациентов в перспективе смогут реабилитироваться после очень серьезной операции менее, чем за неделю.

Использование в косметологии

Также как и восстановление внутренних органов биопринтером через небольшой надрез на теле пациента, применение этой технологии имеет большие перспективы и в области косметологии. Например, могут быть созданы биопринтеры для печати человеческих лиц. Они будут испарять существующие ткани и одновременно заменять их новыми клетками, создавая новое лицо по желанию самого пациента.

Даже упоминание о том, что клетки вашего лица медленно выжигают лазером и печатают на заказ наводит на мысли об ужасной пытке, которую никто никогда не захочет перенести. Однако, многие люди сегодня идут под нож, чтобы достичь гораздо меньшего косметического эффекта. Когда технология станет доступной для создания на биопринтере новых лиц, не говоря уже о принтерах, которые смогут напечатать новые мышцы без затрат времени на их тренировку, очень вероятно, что она будет востребована на рынке косметических услуг.

http://tech-life.org/technologies/274-bioprinter

Новый тип 3D-принтеров в перспективе позволит печатать биологические ткани

Согласно исследованию, опубликованному в Science, группа ученых из Оксфордского университета создала 3D-принтер, позволяющий создавать необходимую структуру из капель жидкости, помещаемых в масло. Благодаря липидному слою, капли не смешиваются между собой, а сохраняют свою форму.

Исследователям удалось создать целую «сеть» из 35000 капель, которая, как заявляется, по своей эластичности сходна с мозговой или жировой тканью и может сохранять своё состояние вплоть до нескольких недель.

Чем же так интересно данное изобретение? Во-первых, жидкость внутри капель может быть заменена. Ученым удалось послать электрический сигнал через такую сеть, используя капли, содержащие протеин (на фото — зелёные), при этом такие капли остаются изолированными от остальных. Таким образом, созданная структура в некотором роде имитирует работу нервных клеток.

Другой эксперимент демонстрирует, как, благодаря специально подобранному содержимому капель и их сочетанию, созданная сеть «складывается» (своего рода 4D печать) в уникальную структуру, напечатать которую было бы невозможно на обычном 3D-принтере. Это происходит благодаря процессу осмоса воды через мембрану капли до установления равновесия.

Создатели технологии отмечают, что по мере её развития, напечатанные сети могут быть интегрированы с живыми организмами и заменять, например, отсутствующие ткани. Но в настоящий момент метод полностью синтетический — сетям, как минимум, не хватает генома и способности к репликации для того чтобы мечты учёных стали явью.

«Мы не пытаемся создать материалы, которые во всем будут повторять живые ткани, но структуры, которые смогут выполнять их функции», — заключил Hagan Bayley, руководитель проекта.

http://www.theverge.com/2013/4/5/4187568/scientists-produce-synthetic-tissue-capable-of-transmitting-signals-like-nerves

Известный генетик Крейг Вентер рассказал о пересылке вакцин по электронной почте

Известный генетик Крейг Вентер рассказал о создании «телепортера» — конвертера, способного переводить биологическую информацию в цифровую, а также устройства, превращающего эту информацию в живую молекулу, и предложил отправить это устройство на Марс.

Крейг Вентер, генетик, первым прочитавший геном человека, обогнав при этом громадный международный консорциум, а два года назад синтезировавший бактерию с искусственной ДНК, снова удивил мир (статья в gazeta.ru от 24.10.2012; NNN). Выступая на прошлой неделе в Нью-Йорке с докладом на конференции Wired Health , он шокировал собравшихся предложением послать на Марс секвенирующую машину .

Вентер верит в то, что на Марсе есть жизнь, и в то, что эта жизнь обязательно будет найдена. Он предлагает секвенировать геном марсианской бактерии, когда ее обнаружат, послать ее цифровую копию на Землю, а здесь воссоздать ее с помощью 3D-принтера.

Многим из собравшихся показалось, что это немножко слишком даже для Вентера, но, поскольку для этого человека слова «слишком», похоже, не существует, только и остается ждать, когда на Марсе найдут бактерию.

Марсианский прожект «геномного колдуна» несколько заслонил собой идею, лежащую в его основе, которая, кстати сказать, реализуется, по словам Вентера, уже прямо сейчас.

Он и его коллеги называют эту концепцию «биологической телепортацией». Как заявил генетик, он и его команда в созданном им Институте имени Крейга Вентера работают над созданием «телепортера» — биологического конвертера, способного переводить биологическую информацию в цифровую, а также устройства, превращающего эту информацию в живую молекулу.

«Это 3D-принтер для ДНК, 3D-принтер для жизни, — говорит Вентер. — Это способ переносить белки, вирусы, отдельные человеческие клетки со скоростью света. Мы нашли способ оцифровать биологический объект, послать его в нужное место, а там реконструировать заново».

Возможно, идея биологической телепортации пришла к нему в 2009 году во время вспышки свиного гриппа в Мехико-Сити. Его команда пыталась создать вакцину против вируса H1N1, но потеряла много времени, поскольку власти запретили тогда посылку вируса из города.

«Если бы мы могли тогда оцифровать вирус, — говорит Вентер, — мы могли бы послать его куда угодно простой электронной почтой».

В идеале процедура биологической телепортации выглядит просто: телепортер оцифровывает, скажем, вакцину, пересылает ее цифровую копию по электронной почте, а там эту информацию закладывают в биопринтер, на выходе которого снова вакцина. Даже сегодня, не имея на руках биопринтера, можно с помощью этой процедуры существенно ускорить процесс создания вакцины и таким образом сохранить множество жизней.

У идеи много противников, выдвигающих два серьезных возражения.

Первое — пересылать можно не только лекарства, но и смертоносные вирусы, например, вирус лихорадки Эбола, поэтому нужны особые меры предосторожности и защиты от смертельного спама. Во-вторых, белок, вирус или другой биообъект в цифровом виде чрезвычайно хрупки: лишняя или случайно выпавшая единичка в цепочке цифр может привести к тому, что, будучи перепечатан на биопринтере после пересылки, он уже не будет функционировать.

Но даже противники признают, что биологическая телепортация способна кардинально изменить современную медицину.

Конечно, вряд ли Вентер получит за какое-то из своих открытий Нобелевскую премию. Однажды, щелкнув мировое научное сообщество по носу, он сумел заслужить со стороны коллег гигантское уважение, но, тем не менее, это прежний «анфан террибль», а таким медалей не выдают.

Если у человека случается минута всемирной славы, то он знает, что больше таких минут в его жизни не будет. Вентер же эти моменты словно коллекционирует.

Ветеран войны во Вьетнаме (он там был медиком), затем студент на грани отчисления, плейбой, любитель виндсерфинга, затем вдруг генетик, которому отказывают в финансировании для участия в программе «Геном человека». После пары безуспешных попыток получить грант он плюет на всякую государственную поддержку и становится генетиком, «который бродит сам по себе». Став таким бродячим генетиком, что само по себе феномен в современном научном мире, он быстро находит инвесторов, проводит несколько блестящих исследований, основывает компанию «Селера» и бросает перчатку фактически всему этому миру со словами «Я первым расшифрую геном человека!».

Свое обещание он выполнил.

Дальше начинаются скандалы. Сначала скандал со всем миром, когда он не желает отдавать свое открытие даром (ведь затрачены деньги!), потом скандал с собственной компанией. Разругавшись с собственным директоратом (что-то там не очень внятное вокруг генома мыши), он покидает «Селеру», и о ней больше никто не слышит.

Казалось бы, и Вентера ждет та же судьба: Крейг сделал свое дело — Крейг может уйти. Не тут-то было. Он организует свой собственный институт, который тут же начинает будоражить мир результатами своих генетических изысканий. Сначала эти результаты не идут ни в какое сравнение с расшифровкой человеческого генома (так, он расшифровал геном собственного пса), затем они становятся посерьезнее и заканчиваются созданием бактерии с искусственно созданной ДНК.

Теперь Вентер снова удивил коллег. Но, похоже, они удивились бы куда больше, если бы он перестал это делать.

Автор: Владимир Покровский

Что нам стоит дом построить, нарисуем, будем жить

Кандидат химических наук Александр Леонтьев.

С помощью графических компьютерных программ конструкторы и дизайнеры могут на экране монитора рассмотреть своё детище со всех сторон и даже заглянуть внутрь. Единственное, чего они были прежде лишены, — возможность пощупать своё произведение руками. Теперь этот пробел устранён — разработанные на компьютерах виртуальные объекты превращаются в реальные предметы с помощью специальных устройств, называемых 3D-принтерами (от англ. 3-dimentional — трёхмерный).

Технология трёхмерной печати впервые появилась в 1986 году, когда американец Чарльз Халл запатентовал процесс, названный им стереолитографией. Суть процесса состоит в том, что компьютер «режет» трёхмерный объект на «слои» толщиной в доли миллиметра, и каждый слой печатается на принтере в натуральную величину. Делают это так: подложку, или платформу, на которой будет находиться физическое воплощение виртуальной модели, погружают в жидкий фотополимер (органическое вещество, затвердевающее под действием света) на глубину, равную толщине элементарного слоя будущего изделия. Затем в действие вступает управляемый компьютером ультрафиолетовый лазер и облучает фотополимер, «рисуя» в нём изображение первого (нижнего) слоя. После того как полимеризация закончится, подложку опускают и лазер формирует второй слой, за ним третий и так далее.

Современные стереолитографические установки позволяют создавать как образцы объёмом до 1 м³ и точностью 0,05—0,15 мм, так и микрообъекты и микроструктуры с разрешением 1—70 мкм. Несмотря на высокую себестоимость оборудования и расходных материалов, стереолитографирование многократно ускоряет процесс изготовления физической модели: объекты (прототипы) любой сложности по их компьютерным моделям могут быть «напечатаны» на 3D-принтере всего за несколько часов, максимум — дней. Подобный подход получил название быстрого прототипирования и ныне стал уже стандартом при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Однако не всегда для изготовления деталей и моделей годятся полимеры. Поэтому в промышленности нередко используют другую технологию трёхмерной печати — избирательное лазерное спекание (ИЛС). Для такого вида «печати» применяют мощные лазеры на углекислом газе, излучение которых способно спекать либо сплавлять частицы порошков самой различной природы — от термопластичных полимеров, воска и обычного сахара до керамики, титана, алюминия и сталей.

Многообразие материалов позволяет «печатать» самые разные объекты. Полученные таким способом изделия, как правило, имеют шероховатую поверхность и пористую структуру.

Зачастую лазерное спекание применяют для двухкомпонентных смесей, например металла с полимером. В этом случае легкоплавкий компонент выступает в качестве связывающего материала. После обжига готового изделия частицы пластмассы выгорают, а частицы металла спекаются. При необходимости такую «губчатую» деталь можно пропитать металлическим расплавом (например, сталь/бронза), что придаст ей относительно однородную структуру.

Лазерное излучение не единственный способ обеспечить локальный нагрев частиц порошка. Разработана настольная модель 3D-принтера, где спекание полимерных порошков осуществляется нагревательными элементами «печатающей» головки. Подобная технология получила название избирательного термоспекания — ИТС. А существующий в единственном экземпляре 3D-принтер Solar Sinter, созданный в 2011 году студентом Лондонского королевского колледжа искусcтв Маркусом Кайзером, использует полутораметровую линзу Френеля. Во время испытаний, проведённых в пустынях Египта, с помощью солнечных лучей удалось расплавить обычный песок и сформировать из него трёхмерные объекты.

Термин «3D-принтер», который используется для обозначения любого устройства, послойно создающего физические объекты, первоначально относился к конкретному аппарату. В 1993 году в Массачусетском технологическом институте были разработаны и запатентованы так называемая технология 3D-печатания и оборудование для неё. Строго говоря, именно эту разработку корректно называть 3D-принтером.

Построение слоя в таких устройствах осуществляется с помощью одной либо нескольких печатающих головок, подобных тем, что применяются в обычных струйных принтерах. Сопла головок распыляют мельчайшие капельки клеящего вещества по поверхности порошка, распределённого тонким слоем на специальной платформе. Возможности метода позволяют комбинировать самые различные материалы (гипс/вода, сталь/акриловая смола, инертные наполнители/воск и т.д.).

По такому же принципу работает удивительная машина D-shape, с помощью которой можно строить дома высотой до двух этажей и площадью до 55 м². На поверхность фундамента слоем до 10 мм насыпают песок, смешанный с катализатором. После этого по заданной траектории проходит печатающая головка с соплом, через которое подаётся специальное клеящее вещество. Полученная смесь «схватывается», и образуется материал, не уступающий по прочности бетону. Следом укладывается второй слой, и так, пока не дойдёт до крыши.

Архитекторы теперь могут дать волю фантазии, хотя разработчики не указывают, как удалять из здания неиспользованный песок, а также как не позволять песку высыпаться через формируемые дверные и оконные проёмы.

Возможности трёхмерной печати широко используют в медицине. С помощью томографии создают послойные изображения исследуемого органа. На их основе строят (а точнее — «печатают») физическую модель, на которой врачи продумывают план хирургической операции.

3D-принтеры нашли и ещё одно применение: позволяют создавать имплантаты для ускорения послеоперационной регенерации участков удалённой костной ткани. Врачи создают точную трёхмерную модель повреждённого участка и «печатают» её из биоразлагаемого сополимера полимолочной и полигликолевой кислот. Для придания прочности полученный микропористый образец покрывают тонким слоем кальций-фосфатной керамики. Уже через восемь недель после вживления керамическое покрытие срастается с краями здоровых участков кости, а спустя полтора года имплантат полностью распадается, уступая место регенерированной костной ткани.

Развитие струйно-порошковой разновидности объёмной печати привело к созданию простых в обращении и относительно недорогих офисных 3D-принтеров. Уже выпускаются устройства для персонального использования, например показанный на фото принтер Cube ценой 1300 долларов и ряд других моделей ценой до 2000 долларов.

Для построения объёмных моделей в них используется так называемый метод послойной заливки экструдируемым расплавом, разработанный ещё в конце 1980-х годов. Полимерная нить, проходя через сопло термоголовки (экструдера), нагревается и в виде расплава подаётся в зону печати, где, застывая, формирует элементы искомой структуры. Принтер Cube снабжается картриджами 10 цветов, которых хватает, чтобы создать 10—12 изделий среднего размера (максимальный размер 14 × 14 × 14 см).

3D-печать постепенно становится распространённым увлечением. Группы любителей объединяются через интернет в сообщества для обмена опытом и идеями. В интернете уже появились сайты компаний, которые охотно и не слишком дорого воплотят в «железе» ваши задумки. А некоторые компании предлагают дизайнерам выкладывать на корпоративных сайтах свои компьютерные модели и обещают авторам приличные гонорары. Правда, лишь в том случае, если на них будут поступать заказы.

Принтер Solar Sinter, созданный Маркусом Кайзером, использует энергию концентрированных солнечных лучей, чтобы спекать песчинки и создавать тем самым трёхмерные объекты — такие, например, как ёмкость для воды.

С помощью валика на подложке формируют тонкий слой порошка, который затем облучают лазером. В соответствии с заданной топологией частицы порошка спекаются либо оплавляются, создавая контур первого слоя.

Лопатка газовой турбины и её «напечатанная» прозрачная пластиковая копия, на которой видно расположение каналов охлаждения.

Строительный 3D-принтер имеет раму размером 7,5 × 7,5 м, по которой движется держатель с печатающей головкой. По мере возведения здания рама поднимается вверх по четырём стойкам.

С помощью принтера D-shape можно строить дома с любой формой и расположением внутренних стен, возводить лестницы, колонны, украшать фасад барельефами.

Модель черепной коробки после трепанации, изготовленная на 3D-принтере, так же как и «заплатка», которой закроют отверстие, даёт возможность хирургам спланировать операцию и провести тренировку.

Внешний вид 3D-принтера Cube и изготовленные с его помощью изделия.

Детальное описание иллюстрации

Луч УФ-лазера, согласно заданной программе, фокусируется на поверхность платформы, покрытой тонким слоем жидкой светочувствительной смолы. В результате фотополимеризации образуется первый слой искомого объекта. Платформа затем погружается на толщину следующего слоя и вновь облучается лазером. Процесс повторяется, пока изделие не будет полностью готово.
С помощью валика на подложке формируют тонкий слой порошка, который затем облучают лазером. В соответствии с заданной топологией частицы порошка спекаются либо оплавляются, создавая контур первого слоя. После этого подложку опускают, на первый слой насыпают следующий, и процесс повторяется.

Биоинженерную трахею впервые имплантировали ребенку

Инженеры и химики из США и Швеции при участии специалистов Кубанского медицинского университета создали биоискусственную трахею из нерассасывающихся нановолокон и стволовых клеток, выделенных из собственного костного мозга двухлетней девочки.

Операцию по пересадке провел профессор регенеративной медицины шведского Каролинского института Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini), который в 2011 году получил мегагрант правительства РФ на проект «Регенерация дыхательных путей и легкого» и провел несколько операций по трансплантации искусственной трахеи в Краснодаре и в Москве.

В этот раз впервые пациенткой стал ребенок, двухлетняя девочка — Ханна Уоррен (Hannah Warren) из Южной Кореи, которая родилась с неразвившейся трахеей. С рождения она стала пленницей дыхательной трубки, введенной через рот в легкие.

Трансплантация была для нее единственным шансом выжить.

Инженеры и химики из США и Швеции при участии специалистов Кубанского медицинского университета, профессором которого также является Маккиарини, создали биоискусственную трахею из нерассасывающихся нановолокон и стволовых клеток, выделенных из собственного костного мозга девочки. Так как донорский орган при этом не использовался, проведенная процедура практически исключает вероятность отторжения имплантата.

Уникальная операция, которая прошла 9 апреля в детской больнице штата Иллинойс Медицинского центра Святого Франциска, длилась 9 часов. Сейчас, спустя три недели после операции, Ханна чувствует себя хорошо и быстро восстанавливается.

«Для меня главное, что нам всем удалось не только спасти жизнь этой маленькой девочки, но и дать ей возможность есть, пить, глотать и даже говорить, как любому другому ребенку. Она перестанет быть узницей больницы и сможет бегать и играть с сестрой и наслаждаться нормальной жизнью», — отметил Маккиарини.

3D печать поможет восстанавливать межпозвонковые диски

На Хабре не раз и не два публиковались новости о здоровье спины и методах, которые позволяют это здоровье сохранить. Это могут быть особые кресла для офисных работников, чередование нагрузок, физкультура и прочее. Но что делать, если позвоночник уже испорчен?

NNN: Новый микрогель для восстановления поврежденных дисков

Ведь достаточно распространенным заболеванием является повреждение межпозвонковых дисков (в США, например, около 30 миллионов человек страдают такими нарушениями в той либо иной форме). Команда ученых из Корнеллского университета (США) сейчас разрабатывает методику восстановления поврежденных межпозвонковых дисков.

Для этого используется особая масса с высоким содержанием стволовых клеток. С этой массой и работает биомеханический 3D принтер, восстанавливающий поврежденные места дисков у пациентов. Как только стволовые клетки начинают контактировать с «родными» клетками диска, они трансформируются в соответствующие ткани, восстанавливая, таком образом, поврежденные места. Через пару недель пациент должен быть здоров, и не испытывать проблем с обновленным диском.

Технология, несмотря на всю ее фантастичность, уже почти реализована. Масштабное внедрение — не за горами, и на себе новый метод восстановления межпозвонковых дисков испытали около 100 пациентов (правда, пациенты пока не люди, а крысы). По словам руководителя исследовательского отдела, доктора Бонассера, крысы с восстановленными дисками живут без всяких проблем, сохраняя полную подвижность.

Самое интересное то, что при полном разрушении диска лаборатория доктора Моро Бонассера может создать полностью новый диск, который будет идеально подходить для позвоночника конкретного пациента. Все это может провести настоящий переворот в сфере лечения заболеваний спины, и миллионы человек являются потенциальными пациентами доктора Бонассера. Сейчас технология должна пройти ряд тестов, плюс быть одобренной таким органом, как Администрация по контролю за продуктами питания и лекарствами США.

Источники: habrahabr.ru Dvice

Естественное стремление к искусственным органам: печатаем живыми клетками

Автор: Андрей Васильков

С технологией 3D-печати и биопринтерами в медицине связано много разработок, кажущихся фантастическими. Быстрое заживление обширных ран, воссоздание сосудов, клапанов, суставных поверхностей и в перспективе – послойная печать целых органов. Что возможно уже сейчас, и какие направления актуальны в медицинской 3D-печати?

Что такое биопечать?

Согласно тезисам Международной конференции 3B’09, биопечатью называется использование автоматизированных процессов при сборке из биологических материалов определённой плоской или объёмной структуры для нужд регенеративной медицины, фармакологических и цитобиологических исследований.

Параллельно в русскоязычной печати прижился и другой термин (калька с английского) – биопринтинг. Процесс действительно напоминает струйную печать, в которой вместо пигментов используются живые клетки. Это может быть монокультура клеток с конечной функцией (например, клетки внутренней оболочки сосудов) или взвесь плюрипотентных стволовых клеток, способных сформировать любую ткань.

3D-биопринтер в лаборатории (фото: Wiired)

Послойная печать тканей и органов создаёт базу для развития трансплантологии. Это направление способно решить множество актуальных медицинских проблем. В первую очередь снимаются вопросы долгого ожидания донорских органов, риск их отторжения и осложнений в связи с подавлением иммунитета.

История вопроса

Идея использовать клеточные культуры вместо чернил и создавать биологические ткани методами модифицированной струйной печати зародилась в конце прошлого века. Одной из первых публикаций о её успешном освоении можно считать статью Владимира Миронова и соавторов, вышедшую в апреле 2003 года в журнале Trends in Biotechnology.

Приставка 3D была использована в ней скорее как указание на перспективы работы, поскольку на тот момент в самом исследовании удалось создать один слой эндотелиальных клеток и полученную структуру нельзя было назвать объёмной. Главным достижением проведённого исследования была демонстрация самой возможности прецизионно размещать живые клетки методами струйной печати с сохранением их жизнеспособности.

( Read more... )

Найден способ заставить сердце биться вечно

10 невероятных вещей, доступных 3D-принтерам уже сегодня

Части тела

Пицца

Шоколад

Одежда

Музыкальные инструменты

Автомобили

Оружие

Дроны

Игрушки для взрослых

3D-принтеры

Важный шаг на пути к печати живых тканей

Стала возможной 3D-печать печени человека

В 3-D биопринтинге впервые использованы клетки сетчатки глаза

БАНК ИНДУЦИРОВАННЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК: БУДУЩИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ ОРГАНЫ

«Биоручка» позволит «рисовать» имплантаты прямо во время операции

Легкие для трансплантации можно будет получать из собственных клеток пациента

Компании Organovo удалось «напечатать» функционирующие в течение 40 дней образцы печени

Биочернила из модифицированного желатина для 3D-печати

Печатный имплантат из витамина В2

Биопринтеры

Технологии биопечати

Пионеры биопечати

Регенеративная основа и кости

Биопечать In Situ

Использование в косметологии

Новый тип 3D-принтеров в перспективе позволит печатать биологические ткани

Известный генетик Крейг Вентер рассказал о пересылке вакцин по электронной почте

Что нам стоит дом построить, нарисуем, будем жить

Биоинженерную трахею впервые имплантировали ребенку

3D печать поможет восстанавливать межпозвонковые диски

Что такое биопечать?

История вопроса

Syndicate

Page Summary

Style Credit

Expand Cut Tags