Біопринтинг: інновації у створенні живих тканин та органів

Біопринтинг — це передова технологія, що поєднує досягнення біології та тривимірного (3D) друку для створення живих тканин та органів. Процес включає використання біопринтерів, які, подібно традиційним 3D-принтерам, пошарово створюють об’єкти, але замість чорнила або пластику застосовують живі клітини людини.

У ході біопрінгінгу використовуються біосумісні матеріали, такі як живі клітини та біорозкладні полімери, для відтворення природних функцій організму. Ця технологія відкриває нові горизонти в медицині, дозволяючи створювати органи та тканини на замовлення для кожного пацієнта, що має можливість змінити підходи до лікування численних захворювань.

У цій статті ми розглянемо біопринтинг як інноваційну технологію: від історії його виникнення до практичних питань, технологічних та морально-етичних проблем та перспектив.

Содержание страницы

Easy3DPrint: 3D-друк на службі інноваційних біотехнологій

Розвиток біопринтингу йде рука об руку з удосконаленням технологій 3D-друку, які стають все більш доступними для широкого кола користувачів. Ми — українська компанія Easy3DPrint — пропонуємо послуги 3D-друку та обладнання, які можуть бути корисними як для прототипування у медичних дослідженнях, так і для створення базових структур, що використовуються у біопринтингу. Наприклад, ми можемо надрукувати 3D-модель стегна людини.

Ми, команда Easy3DPrint, надаємо повний спектр послуг у сфері 3D-технологій, включаючи 3D-друк, сканування, моделювання та лиття.

Наші переваги:

власне високоточне обладнання
стислі терміни виконання замовлень
індивідуальний підхід до кожного клієнта.

Крім того, у нас є широкий вибір витратних матеріалів для 3D-друку, таких як PLA, ABS, PETG та інші. Ми поставляємо їх нашим клієнтам, завжди забезпечуючи високу якість продукції та відповідність заявленим термінам. Зв’яжіться з нами, щоб дізнатися подробиці.

Наша діяльність наочно демонструє, як локальні ініціативи сприяють популяризації технологій, наближаючи їх до практичних застосувань у науці та медицині.

Визначення та концепція біопринтінгу

Біопринтинг є процесом пошарового нанесення біологічних матеріалів, включаючи живі клітини, для створення тривимірних функціональних тканин і органів. Суть технології полягає у використанні спеціальних 3D-принтерів, які замість традиційного чорнила або полімерів застосовують «біочорнила» — суміші, що містять живі клітини та біосумісні матеріали. Ці принтери точно мають клітини в заданих місцях, формуючи структури, що імітують природні тканини організму. Після друку створені структури інкубуються, що дозволяє клітинам взаємодіяти, рости та формувати повноцінні тканини з необхідними функціями.

Розвиток біопрінгінгу тісно пов’язаний з прогресом у галузі регенеративної медицини та тканинної інженерії. Технологія спрямована на вирішення таких проблем, як брак донорських органів для трансплантації та необхідність створення моделей тканин для тестування лікарських засобів. Завдяки біопринтингу стає можливим створювати персоналізовані тканини та органи, що відповідають індивідуальним потребам пацієнтів., що значно підвищує ефективність лікування та знижує ризик відторгнення трансплантатів.

Історія розвитку біопринтінгу

Перший серійний біопринтер був випущений американською компанією Organovo спільно з австралійською компанією Invetech наприкінці 2009 року. У 2010 році за допомогою цього пристрою була надрукована перша повноцінна кровоносна судина.

Проте дослідницька робота в галузі біопринтінгу почалася раніше. У 2002 році японський професор Макото Накамура зауважив, що краплі чорнила в стандартному струминному принтері мають розмір, який можна порівняти з клітинами людини. Це спостереження надихнуло його на адаптацію технології для біодруку, і в 2008 він створив робочу модель біопринтера, здатну друкувати біорубки, що нагадують кровоносні судини. Таким чином, професор Макото Накамура є піонером у розробці біопринтерів, однак перший комерційно доступний біопринтер був створений компанією Organovo у співпраці з Invetech.

Після цього біопрінгінг став стрімко розвиватися. 2013 року Organovo оголосила про створення перших надрукованих тканинних зразків печінки, призначених для тестування ліків. У 2014 році дослідники з Гарвардського університету представили метод біодруку складних тканин із використанням живих клітин та гідрогелів. У 2015 році фахівці з Університету Вейцмана та Прінстонського університету надрукували функціональні сітківки очей, що стало проривом у галузі біопринтингу органів зору.

В останні роки біопрінгінг досяг нових висот. У 2019 році російські вчені з 3D Bioprinting Solutions вперше надрукували мишачу щитовидну залозу в умовах космосу на борту МКС. У 2022 році іспанські дослідники розробили методику друку штучної шкіри, здатної повноцінно замінювати пошкоджені ділянки людського тіла. Сьогодні біопринтинг продовжує еволюціонувати, наближаючи нас до можливості створення повноцінних органів для трансплантації.

Технології біопринтінгу

Існує кілька основних методів біопрінгінгу, кожен з яких має свої особливості, переваги та сфери застосування.

Екструзійний біодрук

Екструзійний біодрук є одним з найбільш поширених методів і заснований на видавлюванні біоматеріалів через сопло під тиском. У цьому процесі використовуються шприци або пневматичні системи, які подають біочорнила у вигляді безперервних ниток, формуючи пошарово тривимірні структури. Перевагою даного методу є можливість роботи з широким спектром в’язких матеріалів та створення великих конструкцій. Однак слід враховувати, що застосування тиску може впливати на життєздатність клітин, тому параметри друку необхідно ретельно оптимізувати.

Процес екструзійного друку може бути повільним, що потенційно збільшує витрати на виробництво.

Струменевий біодрук

Струменевий біодрук заснований на принципі викиду дрібних крапель біоматеріалу на підкладку з високою точністю. Цей метод дозволяє створювати деталізовані структури та використовувати різні типи клітин одночасно. Струменевий біодрук забезпечує високу точність і швидкість, але вимагає використання біочорнил з низькою в’язкістю, що може обмежувати вибір матеріалів. Складність обладнання та необхідність точного контролю параметрів можуть підвищити вартість цього методу.

Струйний біодрук поділяється на кілька типів:

П’єзоелектричний друк: використовує п’єзоелектричний елемент, який при подачі електричного імпульсу змінює форму, створюючи тиск, необхідний для викиду краплі. Технологія була розроблена та запатентована компанією Epson наприкінці XX століття. Висока точність та складність обладнання можуть призвести до збільшення витрат.
Термоструминний друк: застосовує тепловий імпульс для формування бульбашки, яка виштовхує краплю біочернил через сопло. Хоча цей метод забезпечує високу точність, необхідність підтримання точних температурних режимів та складність обладнання можуть підвищити вартість процесу.

Перевагою струменевого біодруку є високийя точність і швидкість процесу. Однак цей метод вимагає використання біочорнила з низькою в’язкістю, що може обмежувати вибір матеріалів.

Лазерно-індукована передача

Лазерно-індукована передача (LIFT) – це метод, при якому лазерний імпульс використовується для перенесення біоматеріалу з донорської плівки на приймальну поверхню. Процес включає наступні етапи:

Нанесення тонкого шару біочорнила на донорську плівку.
Фокусування лазерного імпульсу на плівці, що призводить до утворення бульбашки та викиду краплі біоматеріалу на підкладку.

Цей метод забезпечує високу точність і можливість роботи з в’язкими матеріалами без прямого контакту, що знижує ризик контамінації. Однак складність обладнання та необхідність точного налаштування параметрів лазера роблять цей метод одним із найдорожчих.

Порівняння вартості методів

Якщо порівнювати витрати, екструзійний біодрук зазвичай є найбільш економічно ефективним через простоту обладнання та процесу. Струменевий біодрук, включаючи її підвиди (п’єзоелектричний і термоструминний), вимагає більш складного обладнання та точного контролю, що збільшує вартість. Лазерно-індукована передача, зважаючи на високу точність і складність технології, є найдорожчим методом.

Вибір відповідного методу біодруку повинен базуватися на балансі між необхідною точністю, типом тканини, що створюється, і доступним бюджетом.

Біоматеріали та біочорнила

Ключовим компонентом успішного біопринтингу є біочорнила – матеріали, що використовуються для створення тривимірних біологічних структур. Вони складаються з живих клітин та допоміжних речовин, які забезпечують необхідне середовище для підтримки життєздатності та функціональності надрукованих тканин.

Склад та властивості біочорнил

Біочорнила включають кілька основних компонентів:

Живі клітини: основний будівельний матеріал, який формує тканинні структури. Клітини можуть бути отримані від пацієнта (аутологічні) або інших джерел.
Біополімери: служать каркасом або матрицею, що підтримує клітини і сприяє їх зростанню та диференціації. Приклади біополімерів включають колаген, фібрин та гіалуронову кислоту.
Фактори росту та поживні речовини: забезпечують необхідні сигнали та середовище для клітинної активності та формування функціональної тканини.

Властивості біочернил повинні відповідати таким вимогам:

Біосумісність: матеріали не повинні викликати імунної відповіді або токсичності при введенні в організм.
Підходяща в’язкість: біочорнила повинні мати реологічні властивості, що дозволяють їх ефективне нанесення вибраним методом друку.
Здатність до гелеутворення: біочорнила повинні підтримувати стабільну структуру після друку, забезпечуючи механічну підтримку клітин.
Підтримка клітинної активності: біочорнила повинні створювати сприятливі умови для зростання, міграції та диференціації клітин.
Довготривала стабільність: матеріал повинен зберігати свої властивості протягом необхідного часу до завершення формування тканини.

Типи біочернил

Існує кілька типів біочорнил, що виробляються різними компаніями. Розглянемо деякі з них:

Біочорнила Col/SA (колаген та альгінат натрію): Ці біочорнила являють собою суміш колагену з альгінатом натрію. Вони використовуються для створення структур, що імітують природні тканини.
Біочорнила Gel/SA (желатин і альгінат натрію): Складені із суміші желатину та альгінату натрію, ці біочернила мають високу біосумісність.
Біочорнила ColMA (колаген, модифікований метакрилоїльними групами): Ці біочорнила поєднують колаген з метакрилоїльними групами, що дозволяє контролювати їх механічні властивості.
Біочорнила синтетичні Biogelx: Синтетичні біочернила Biogelx™ являють собою гідрогелі на основі пептидів, які формують нанофіброзну мережу, що імітує позаклітинний матрикс. Ці біочорнила забезпечують високу відтворюваність, простий метод зшивки, контроль в’язкості та підтримують життєздатність клітин, що робить їх сумісними з широким спектром 3D-біопринтерів.
Біочорнила GelMA (желатин, модифікований метакрилоїльними групами): GelMA – це похідні желатину, модифіковані метакрилоїльними групами, що дозволяє використовувати їх як біочернил для біочернил. Вони забезпечують підтримку клітин та сприяють їх росту.
Біочорнила на основі гідрогелів: Гідрогелі, такі як агара, агарозу і карбоксиметилцелюлоза, використовуються для створення біочорнил з високою водоутримувальною здатністю, що важливо для підтримки
Біочорнила на основі декельлюляризованих матриць: Ці біочернила містять компоненти позаклітинного матриксу, отримані з природних тканин, що сприяє кращій інтеграції та функціональності.

Виробники та види біочорнил

В області біопрінгінгу існує кілька зарубіжних виробників, що спеціалізуються на розробці та виробництві біочорнил. Нижче наведено деякі з них:

Biogelx: Biogelx – шотландська компанія, заснована в 2013 році як підрозділ Університету Стратклайд. У квітні 2019 року вона представила свою першу лінійку синтетичних біочорнил.
Foldink: Вірменська фірма Foldink пропонує різні види біочорнил, включаючи Col/SA Bioink (містять 70 мг/мл колагену та альгінат натрію), Gel/SA Bioink лаген, модифікований метакриловим ангідридом).
Allevi: Allevi – американська компанія, що спеціалізується на виробництві біопринтерів та біочорнил. Вони пропонують широкий асортимент біочорнил для різних застосувань, включаючи гідрогелі та матричні біочорнила.
CELLINK: CELLINK — шведська компанія, що є одним із піонерів у галузі біопринтінгу. Вони пропонують різноманітні біочорнила, такі як CELLINK Bioink, які підходять для друку різних типів тканин

Вартість біочернил

Ціни на біочорнила залежать від їх складу, обсягу та виробника. Ринок біочорнила активно розвивається, пропонуючи різноманітні рішення для біодруку. При виборі біочорнил важливо враховувати їх склад, сумісність із клітинами, механічні властивості та вартість, що відповідає специфічним вимогам кожного проекту. Так, ціни на біочорнила від Allevi та CELLINK можуть відрізнятися залежно від специфіки продукту та обсягу замовлення. Ціни на продукцію Foldink можуть змінюватись в залежності від обсягу та типу біочорнил. Наприклад, вартість Col/SA Bioink становить 750 доларів США за 3 флакони по 3 мл та 2400 доларів США за 10 флаконів по 3 мл.

Рекомендується звертатися безпосередньо до виробників або їх офіційних дистриб’юторів для отримання актуальної інформації про ціни та доступність продукції.

Застосування біопринтінгу

Біопринтинг, як передова технологія, знаходить широке застосування в різних галузях медицини та біології. Розглянемо ключові напрямки використання цієї інноваційної методики.

Тканинна інженерія

Одним з найбільш перспективних застосувань біопринтингу є тканинна інженерія. За допомогою 3D-біопринтерів створюються різні тканинні структури, які можуть бути використані для трансплантації та регенерації пошкоджених ділянок тіла.

Створення шкірних покривів: Біопринтинг дозволяє відтворювати багатошарові структури шкіри, що особливо важливо для лікування великих опіків та хронічних виразок. Надрукована шкіра може бути персоналізована під конкретного пацієнта, знижуючи ризик відторгнення та прискорюючи загоєння.
Відтворення хрящової тканини: Технологія використовується для друку хрящових структур, що застосовуються при відновленні суглобів та лікуванні дефектів носа або вух. Біопринтинг забезпечує точне відтворення анатомічної форми та структури хряща, що сприяє успішній інтеграції імплантату.
Формування судинних структур: Створення судин є критично важливим для забезпечення кровопостачання в надрукованих тканинах та органах. Біопринтинг дозволяє створювати складні мережі капілярів і більших судин, необхідних для життєздатності тканин, що трансплантуються.

Моделювання захворювань

Біопринтинг відкриває нові можливості для вивчення патологій та тестування лікарських препаратів.

Розробка моделей органів: Надруковані органоїдні структури використовуються для відтворення фізіології людських органів у лабораторних умовах. Це дозволяє дослідникам вивчати механізми розвитку захворювань та тестувати ефективність нових ліків на моделях, максимально наближених до реальних умов.
Токсикологічні дослідження: Біопринтинг дозволяє створювати тканини печінки, нирок та інших органів для оцінки токсичності хімічних речовин та лікарських препаратів, що знижує необхідність у випробуваннях на тварин і підвищує достовірність отриманих даних

Персоналізована медицина

Індивідуальний підхід до лікування стає можливим завдяки біопринтингу, що враховує унікальні особливості кожного пацієнта.

Друк персоналізованих імплантатів: На основі даних медичної візуалізації (наприклад, МРТ або КТ) створюються точні 3D-моделі, що дозволяють надрукувати імплантати, ідеально відповідні. Це особливо важливо в щелепно-лицьовій хірургії та ортопедії.
Розробка індивідуальних лікарських форм: Біопринтинг може бути використаний для створення таблеток із заданим дозуванням та вивільненням активних речовин, адаптованих під метаболічні особливості конкретного пацієнта.

Чотиривимірний (4D) біопринтинг

Традиційний 3D-біопринтинг дозволяє створювати статичні тривимірні структури, проте біологія живих систем динамічна і мінлива. У цьому контексті розвивається концепція чотиривимірного (4D) біопринтингу, де четвертим виміром виступає час.

Концепція 4D біопрінгінгу

4D біопринтинг включає створення тривимірних біологічних конструкцій, здатних змінювати свою форму, властивості або функції під впливом зовнішніх стимулів, таких як температура, вологість, pH або біохімічні сигнали. Це досягається за рахунок використання «розумних» матеріалів, що мають пам’ять форми або здатність до самоскладання.

Застосування 4D біопрінгінгу

Розробка динамічних тканин: Створення тканин, які можуть адаптуватися до змін в організмі, наприклад, судин, здатних звужуватися або розширюватися у відповідь на фізіологічні потреби, або хрящів
Інженерія органів: Друк органів, які після імплантації здатні розвиватися та інтегруватися з навколишніми тканинами, реагуючи на біохімічні сигнали організму.Це відкриває перспективи створення повністю функціональних, адаптивних трансплантатів.
Створення біосенсорів: Розробка структур, які змінюють свої властивості при виявленні певних молекул або змін у навколишньому середовищі, що може бути використане для моніторингу стану здоров’я в реальному часі.

4D біопринтинг знаходиться на стадії активних досліджень, і його успішна реалізація вимагатиме міждисциплінарного підходу, що поєднує матеріалознавство, біологію, інженерні науки та медицину. Однак потенціал цієї технології обіцяє революційні зміни у підходах до лікування та відновлення функцій організму.

Проблеми та перспективи біопрінгінгу

Біопринтинг є революційною технологією з величезним потенціалом в медицині та біології. Він обіцяє вирішити багато проблем сучасної медицини, включаючи нестачу донорських органів та необхідність розробки більш ефективних методів лікування. Однак для повного розкриття цього потенціалу необхідно подолати низку технічних, етичних та регуляторних перешкод.

Технічні виклики

Біопринтинг, що зародився в 1980-х роках з появою концепції адитивного виробництва, стикається з низкою технічних перешкод, незважаючи на значний прогрес з моменту свого виникнення.

Ключові технічні виклики включають такі пункти:

Забезпечення точності друку

Створення складних тканин та органів вимагає високої точності в розміщенні клітин та біоматеріалів. Будь-які відхилення можуть призвести до порушення структури та функції надрукованого органу. Сучасні біопринтери прагнуть досягти мікрометрової точності, що відіграє важливу роль у правильному розміщенні клітин та забезпеченні функціональності тканин. Тривимірні структури, створені за допомогою біопринтингу, повинні точно відтворювати складну архітектуру природних тканин та органів. Для досягнення необхідної точності потрібно розробка нових методів контролю та калібрування обладнання, а також удосконалення програмного забезпечення для моделювання та управління процесом друку.

Життєздатність клітин

Процес біодруку може піддавати клітини механічним та термічним навантаженням, що впливає на їх життєздатність. Збереження високої життєздатності клітин під час та після друку є критичним фактором для успішної інтеграції та функціонування надрукованих тканин. Біопринтинг використовує живі клітини, які можуть зазнавати стресу через механічні та теплові впливи під час друку. Необхідно розробляти біочорнила та умови друку, які мінімізують пошкодження клітин та підтримують їхню життєздатність.

Інтеграція з існуючими тканинами

Після трансплантації надруковані тканини повинні успішно інтегруватися з навколишніми тканинами пацієнта. Це включає забезпечення адекватного кровопостачання, іннервації та механічної стабільності. Недостатня інтеграція може призвести до відторгнення або некрозу трансплантату. Це вимагає розробки методів, що сприяють васкуляризації (утворенню кровоносних судин) усередині надрукованих тканин, щоб забезпечити їх харчування та видалення продуктів метаболізму. Крім того, необхідно враховувати імунну відповідь організму та розробляти стратегії для запобігання відторгненню трансплантату.

Технічні аспекти, такі як забезпечення точності друку, збереження життєздатності клітин та успішна інтеграція надрукованих тканин з організмом пацієнта, потребують подальших досліджень та розробок.

Етичні та регуляторні аспекти

Впровадження біопринтингу в клінічну практику супроводжується низкою етичних та правових питань, що потребують ретельного розгляду:

Біоетичні питання

Створення біологічних структур викликає глибокі філософсько-етичні питання, пов’язані з комерціалізацією людського тіла та його частин, а також з можливістю “покращення” людини за допомогою біотехнологій. Необхідно забезпечити повагу людської гідності та недопущення комерціалізації особистості.ти.

Правове регулювання

Відсутність чітких нормативних баз для застосування біопринтингу в клінічній практиці створює невизначеність щодо безпеки та ефективності таких процедур. Необхідна розробка міжнародних та національних стандартів, що регулюють використання біопринтингу, включаючи питання ліцензування, сертифікації та контролю якості.

Рівний доступ до технологій

Існує небезпека, що високі витрати на біопринтинг можуть обмежити доступ до цієї технології для певних груп населення, що призведе до нерівності у наданні медичної допомоги.

Етичні питання, пов’язані з комерціалізацією людських тканин і рівним доступом до нових технологій, повинні бути ретельно розглянуті та врегульовані. Крім того, необхідно розробити чіткі правові рамки, які забезпечують безпеку та ефективність застосування біопринтингу у клінічній практиці.

Перспективи

Незважаючи на існуючі проблеми, біопринтинг має величезний потенціал для перетворення медицини.

Розробка нових методів лікування: Біопринтинг відкриває можливості для створення індивідуалізованих тканин та органів, що може значно покращити результати лікування та якість життя пацієнтів.
Прискорення розробки ліків: Використання надрукованих тканин та органів для тестування ліків може прискорити процес розробки нових препаратів та знизити необхідність використання тваринних моделей.
Освітні та дослідні програми: Біопринтинг надає нові можливості для навчання та досліджень, дозволяючи студентам та науковцям вивчати складні біологічні структури та процеси в лабораторних умовах.

Незважаючи на ці виклики, дослідження та розробки в галузі біопринтингу, що продовжуються, обіцяють значні досягнення у створенні функціональних біологічних структур і поліпшенні якості життя пацієнтів. З розвитком технологій та накопиченням досвіду біопринтинг може стати невід’ємною частиною сучасної медицини, пропонуючи нові рішення для лікування різних захворювань та станів.

Висновок

Розвиток технології біопринтінгу пов’язаний з удосконаленням методів 3D-друку. В даний час застосовуються три основні підходи: екструзійний друк, струменевий біодрук та лазерно-індукована передача. Кожен з них має свої переваги та обмеження, пов’язані з точністю, вартістю та сумісністю з різними видами біочорнил.

Практичне застосування біопринтингу охоплює кілька напрямків, включаючи тканинну інженерію, тестування ліків та створення трансплантатів. Технологія дозволяє відтворювати шкірні покриви, хрящову тканину, судинні структури та потенційно органи для трансплантації, що знижує залежність від донорського матеріалу та зменшує ризик відторгнення.

Незважаючи на значні досягнення, біопринтинг залишається технологією, що вимагає подальших досліджень. Основні виклики включають складність формування судинних мереж, необхідність створення біочорнил з оптимальними властивостями та високу вартість обладнання. Однак з розвитком технологій та появою нових матеріалів можна очікувати, що біопринтинг у найближчому майбутньому стане ключовим інструментом у медицині та науці.