ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ В МЕДИЦИНЕ ЭПОХИ ЦИФРОВИЗАЦИИ - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ В МЕДИЦИНЕ ЭПОХИ ЦИФРОВИЗАЦИИ

Позднякова К.А. 1, Махлаенко Д.А. 1
1БГУ им.акад. И.Г.Петровского
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Медицинская практика показывает, что в настоящее время для получения донорского органа для пересадки печени пациенту необходимо ждать в среднем 944 дня, а ведь это два с половиной года. При этом по статистике каждый день из-за очереди на процедуру по пересадке донорских органов умирает около 20 человек. Но даже при наличии донора нет никакой гарантии успеха: у обоих людей (то есть, у реципиента и донора) должна быть иммуносовместимость. Кроме этого, есть огромный риск стать жертвой инфекции во время трансплантации, например, заболеть вирусом иммунодефицита, гепатитом В, которые вовремя не были обнаружены у донора [2].

Одна из информационных технологий – это 3D-печать, похоже, дает надежду на то, что дальнейшем, возможно, проблема трансплантации органов будет стоять не так остро.

Биопечать – это новшество, продвигающее медицину вперёд и возникшее из-за быстрого развития аддитивных технологий. На данный момент учёные со всех стран пытаются создать биопринтеры, способные печатать такие сложные и многофункциональные органы как сердце, почки, легкие, печень.

3D-печать была разработана в 80-х годах XX века и первоначально не использовалась в медицинской практике. Первые принтеры были гораздо менее функциональными, нежели сейчас, многие их детали были взяты из обычных струйных аппаратов и усовершенствованы в процессе работы.

«Отцом» 3D-печати считается Чак Халл, который при представлении 3D-принтера в 1968 году назвал его «установкой для стереолитографии».

После этого в 2000-м году Томас Боланд использовал такой принтер, перенастроив его, для создания отдельных фрагментов ДНК. Тогда оказалось, что жизнеспособность клеток сохраняется и в процессе печати, и в 2003 он запатентовал технологию печати клеток.

Уже через три года после этого состоялась удачная реализация проекта по пересадке семерым подопытным мочевого пузыря, напечатанного на 3D-принтере. Для этого врачи взяли стволовые клетки подопытных, а образцы нанесли на макет мочевого пузыря. В результате через 1,5-2 месяца клетки из-за естественного деления смогли воссоздать новый орган [3].

На сегодняшний день 3D-принтеры разделяются на несколько групп по способу встраивания в организм и функциям: каркасная, бескаркасная, мимикрия[4].

Первый способ предполагает, как это видно из названия, создания каркаса из неорганической основы, на который накладываются синтезированные клетки. А после того, как эти клетки срастаются с естественными (т.е. присущими данному органу), каркас исчезает.

Второй способ предполагает наличие гидрогелиевой основы, на который накладывают живые клетки. В 3D-принтере они находятся в, так называемых, гидрогелиевых сфероидах в охлаждённом состоянии. Во время печати сфероиды развеиваются, и из этих живых клеток формируется собственный, природный каркас. Как видно, этот способ более сложен, нежели первый и, как следствие, менее популярный.

Третий вариант – это машина будущего. На сегодняшний день её не существует. В планах она должна печатать нужный орган полностью. Для неё разрабатывается биопечать на молекулярном уровне, и проводятся глубокие исследования природы клеток. Сейчас учёные трудятся над её созданием, но, к сожалению, все попытки не увенчиваются успехом[4].

Кроме того, биопринтеры делятся ещё и по способу печатания, а именно: струйные, микроэкструзионные и лазерные.

Первый метод очень похож на принцип, который используется при работе обычных 3D-принтеров: биологический материал хранится в картридже, который распыляется на гидрогелиевую подложку, словно краска на бумагу.

Этот способ относительно дешёвый и способен производить достаточное количество биологического материала.

Но существенным недостатком этого способа является то, что неточный выброс капель или закупоривание распыляющего сопла может стать причиной гибели всего материала. То есть, струйная печать органов на 3D-принтере не подходит для вязких материалов, поскольку они не распыляются.Практика показывает, что указанный способ подходит только для определённых тканей, если быть точнее для: костной и хрящевой, а также мышц и кожи[1].

Второй метод применяется в неорганической 3D-печати. Печать происходит следующим образом: в подвижную головку-экструдер сжатым воздухом подаётся биологический материал, который затем укладывается в нужном порядке. Следовательно, чем больше головок, тем скорее и правильнее работает принтер. Однако переусердствование с количеством экструдеров может привести к обратному результату: слишком плотное расположение клеток способствует их гибели. В этом плане выигрывает струйная печать. Но для печати органов, имеющих высокую плотность, чаще всего применяется микроэкструзионная печать, так как она обеспечивает тонкую подачу материала, и существует возможность регулировать давление[2].

Третий способ предполагает, как понятно из названия, использование лазера. Он необходим для нагревания стекла с жидким клеточным субстратом. В точке концентрации луча создается избыточное давление, которое выталкивает клетки на нужный участок подложки, а между лучом и стеклом с биоматериалом размещается отражающий элемент, который снижает мощность луча. Этот способ, наверное, самый эффективный, так как биоматериал укладывается с точностью до отдельных клеток и существует возможность контроля всего процесса, но вместе с этим и самый дорогой. Кроме того, из-за испарения отражающего элемента в клетках создаётся повышенное содержание металла [3]

На данный момент 3D-принтеры не настолко продвинуты, чтобы была возможность вылечить каждого пациента, нуждающегося в этой технологии, но дальнейшее развитие этой идеи приведёт к тому, что повреждённые конечности можно будет не лечить достаточно длительное время, а просто вырастить новые. Помимо этого, уменьшится потребность в наличии донорских органах, которая очень остро существует сейчас.

Эта практика – выращивание новых тканей для органов – уже помогла некоторым людям и сейчас её нужно только развивать, поскольку это будет большим прорывом в медицине и позволит многим людям жить полноценной жизнью.

Список литературы

1. Горбатов Р. О., Романов А.Д. Создание органов и тканей с помощью биопечати // Вестник ВолГМУ. - 2017. - №3 (63).

2. Жорова А.А. Возможности существующих технологий 3D-печати в медицине // Смоленский медицинский альманах. - 2018. - №1.

3. Коваленко Р.В. Современные полимерные материалы и технологии 3D печати // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - №1.

4. Хесуани Ю.Дж., Сергеева Н.С., Миронов Ва., Мустафин А.Г., Каприн А.Д. Введение в 3D-биопринтинг: история формирования направления, принципы и этапы биопечати // Гены и клетки. - 2018. - №3.

Просмотров работы: 3