В США напечатали на 3D-принтере бионический глаз

В США напечатали на 3D-принтере бионический глаз

Впервые бионический глаз напечатали на 3D-принтере

Живой глаз регистрирует свет за счет размещенных на сетчатке фоторецепторных нейронов, которые переводят видимый свет в нервный импульс. В модели, напечатанной на 3D-принтере, роль фоторецепторов играют полупроводниковые диоды, переводящие свет в электрический сигнал.

За последние несколько лет было предложено несколько концептов бионических глаз. Некоторые из них были успешно испытаны на людях, однако до сих пор все они изготавливались вручную. Технология трехмерной печати глазных имплантатов может удешевить их производство и сделать бионические глазные протезы доступными широкому кругу людей, нуждающихся в них.

Выстроить ряд диодов на изогнутой поверхности — сложная инженерная задача, которую ученые из Миннесоты решили, построив кастомный 3D-принтер. Прежде чем приступить к печати диодов, они с помощью принтера нанесли на внутреннюю поверхность стеклянной полусферы слой серебряных наночастиц, затем на нем слой за слоем нарастили структуру фоторецептора из полупроводниковых полимерных чернил. Весь процесс занял около полутора часов.

Земля находится на третьем месте по удаленности от Солнца и на пятом среди всех планет Солнечной системы по размеру.

Возраст – 4,54 млрд лет

Средний радиус – 6 378,2 км

Средняя окружность – 40 030,2 км

Площадь – 510 072 млн км² (29,1% суши и 70,9% воды)

Количество материков – 6: Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Австралия и Антарктида

Количество океанов – 4: Атлантический, Тихий, Индийский, Северный Ледовитый

Население – 7,3 млрд чел. (50,4% мужчин и 49,6% женщин)

Самые густо населенные государства: Монако (18 678 чел./км 2 ), Сингапур (7607 чел./км 2 ) и Ватикан (1914 чел./км 2 )

Количество стран: всего 252, независимых 195

Количество языков в мире – около 6 000

Количество официальных языков – 95; самые распространенные: английский (56 стран), французский (29 стран) и арабский (24 страны)

Количество национальностей – около 2 000

Климатические пояса: экваториальный, тропический, умеренный и арктический (основные) + субэкваториальный, субтропический и субарктический (переходные)

По словам руководителя исследования, 25-процентная эффективность преобразования света в электрический сигнал у готового прототипа оказалась необычно высокой для устройств, напечатанных на 3D-принтере. «Наши полупроводниковые фоторецепторы, напечатанные на 3D-принтере, начинают приближаться по эффективности к аналогичным устройствам, изготовленным существующими промышленными способами, — поясняет МакАльпин. — Кроме того, 3D-печать позволяет наносить полупроводниковые диоды на изогнутую поверхность, а другие технологии — нет».

Группа МакАльпина специализируется на 3D-печати бионических устройств: в последние несколько лет они предложили управляемый микроэлектроникой материал, имитирующий живую кожу, микроэлектронные устройства, которые можно наносить прямо на кожу, и бионическое ухо — напечатанное на 3D-принтере устройство из антенны на основе материала, имитирующего хрящ.

МакАльпин признается, что создание бионического глаза для него более личная задача, чем другие: мать ученого слепа на один глаз. Следующим шагом должно стать увеличение количества фоторецепторов — чем их больше, тем эффективнее преобразование света в электрический сигнал. Также МакАльпин и его коллеги рассчитывают найти способ печатать полупроводниковые микроприборы не на стекле, а на мягкой подложке, которая может стать основой будущего имплантата.

Прототип бионического глаза впервые напечатали на 3D-принтере

Группа исследователей из Университета Миннесоты впервые напечатала на 3D-принтере решетку фоторецепторов на полусферической подложке. В будущем технология позволит создавать с помощью 3D-печати бионические глаза, функционально аналогичные человеческим.

«Мы стали на шаг ближе к созданию бионического глаза на 3D-принтере», — рассказывает один из авторов исследования Майкл МакАльпин (Michael McAlpine). Живой глаз регистрирует свет за счет размещенных на сетчатке фоторецепторных нейронов, которые переводят видимый свет в нервный импульс. В модели, напечатанной на 3D-принтере, роль фоторецепторов играют полупроводниковые диоды, переводящие свет в электрический сигнал. За последние несколько лет было предложено несколько концептов бионических глаз, некоторые из них были успешно испытаны на людях, однако до сих пор все они изготавливались вручную. Технология трехмерной печати глазных имплантатов может удешевить их производство и сделать бионические глазные протезы доступными широкому кругу людей, нуждающихся в них.

Выстроить ряд диодов на изогнутой поверхности — сложная инженерная задача, которую ученые из Миннесоты решили, построив кастомный 3D-принтер. Прежде чем приступить к печати диодов, они с помощью принтера нанесли на внутреннюю поверхность стеклянной полусферы слой серебряных наночастиц, затем на нем слой за слоем нарастили структуру фоторецептора из полупроводниковых полимерных чернил. Весь процесс занял около полутора часов.

По словам руководителя исследования, 25-процентная эффективность преобразования света в электрический сигнал у готового прототипа оказалась необычно высокой для устройств, напечатанных на 3D-принтере. «Наши полупроводниковые фоторецепторы, напечатанные на 3D-принтере, начинают приближаться по эффективности к аналогичным устройствам, изготовленным существующими промышленными способами, — поясняет МакАльпин. — Кроме того, 3D-печать позволяет наносить полупроводниковые диоды на изогнутую поверхность, а другие технологии — нет».

Группа МакАльпина специализируется на 3D-печати бионических устройств: в последние несколько лет они предложили управляемый микроэлектроникой материал, имитирующий живую кожу, микроэлектронные устройства, которые можно наносить прямо на кожу, и бионическое ухо — напечатанное на 3D-принтере устройство из антенны на основе материала, имитирующего хрящ. МакАльпин признается, что создание бионического глаза для него более личная задача, чем другие: мать ученого слепа на один глаз. Следующим шагом должно стать увеличение количества фоторецепторов — чем их больше, тем эффективнее преобразование света в электрический сигнал. Также МакАльпин и его коллеги рассчитывают найти способ печатать полупроводниковые микроприборы не на стекле, а на мягкой подложке, которая может стать основой будущего имплантата.

Статья опубликована в журнале Advanced Materials; авторы исследования получили патент на описанную в ней технологию.

Впервые бионический глаз напечатали на 3D-принтере

Живой глаз регистрирует свет за счет размещенных на сетчатке фоторецепторных нейронов, которые переводят видимый свет в нервный импульс. В модели, напечатанной на 3D-принтере, роль фоторецепторов играют полупроводниковые диоды, переводящие свет в электрический сигнал.

За последние несколько лет было предложено несколько концептов бионических глаз. Некоторые из них были успешно испытаны на людях, однако до сих пор все они изготавливались вручную. Технология трехмерной печати глазных имплантатов может удешевить их производство и сделать бионические глазные протезы доступными широкому кругу людей, нуждающихся в них.

Выстроить ряд диодов на изогнутой поверхности — сложная инженерная задача, которую ученые из Миннесоты решили, построив кастомный 3D-принтер. Прежде чем приступить к печати диодов, они с помощью принтера нанесли на внутреннюю поверхность стеклянной полусферы слой серебряных наночастиц, затем на нем слой за слоем нарастили структуру фоторецептора из полупроводниковых полимерных чернил. Весь процесс занял около полутора часов.

Земля находится на третьем месте по удаленности от Солнца и на пятом среди всех планет Солнечной системы по размеру.

Возраст – 4,54 млрд лет

Средний радиус – 6 378,2 км

Средняя окружность – 40 030,2 км

Площадь – 510 072 млн км² (29,1% суши и 70,9% воды)

Количество материков – 6: Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Австралия и Антарктида

Количество океанов – 4: Атлантический, Тихий, Индийский, Северный Ледовитый

Население – 7,3 млрд чел. (50,4% мужчин и 49,6% женщин)

Самые густо населенные государства: Монако (18 678 чел./км 2 ), Сингапур (7607 чел./км 2 ) и Ватикан (1914 чел./км 2 )

Количество стран: всего 252, независимых 195

Количество языков в мире – около 6 000

Количество официальных языков – 95; самые распространенные: английский (56 стран), французский (29 стран) и арабский (24 страны)

Количество национальностей – около 2 000

Климатические пояса: экваториальный, тропический, умеренный и арктический (основные) + субэкваториальный, субтропический и субарктический (переходные)

По словам руководителя исследования, 25-процентная эффективность преобразования света в электрический сигнал у готового прототипа оказалась необычно высокой для устройств, напечатанных на 3D-принтере. «Наши полупроводниковые фоторецепторы, напечатанные на 3D-принтере, начинают приближаться по эффективности к аналогичным устройствам, изготовленным существующими промышленными способами, — поясняет МакАльпин. — Кроме того, 3D-печать позволяет наносить полупроводниковые диоды на изогнутую поверхность, а другие технологии — нет».

Группа МакАльпина специализируется на 3D-печати бионических устройств: в последние несколько лет они предложили управляемый микроэлектроникой материал, имитирующий живую кожу, микроэлектронные устройства, которые можно наносить прямо на кожу, и бионическое ухо — напечатанное на 3D-принтере устройство из антенны на основе материала, имитирующего хрящ.

МакАльпин признается, что создание бионического глаза для него более личная задача, чем другие: мать ученого слепа на один глаз. Следующим шагом должно стать увеличение количества фоторецепторов — чем их больше, тем эффективнее преобразование света в электрический сигнал. Также МакАльпин и его коллеги рассчитывают найти способ печатать полупроводниковые микроприборы не на стекле, а на мягкой подложке, которая может стать основой будущего имплантата.

В США напечатали на 3D-принтере бионический глаз

Печать органов: как продвинулись технологии 3D-биопринтинга и что мешает их развитию

Искусственное создание человеческой кожи, тканей и внутренних органов может восприниматься как фантастика, но большая часть всего этого происходит прямо сейчас. В исследовательских центрах и больницах по всему миру достижения в области 3D-печати и биопечати предоставляют новые возможности для лечения людей и научных исследований. В ближайшие десятилетия биопечать может стать следующей важной вехой в здравоохранении и персонализированной медицине.

Расскажем о технологии биопечати, последних достижениях отрасли и ограничениях, с которыми сталкиваются специалисты.

Традиционные принтеры, такие, как у вас дома или офисе, работают в двух измерениях. Они могут печатать текст или изображения на плоской поверхности (обычно на бумаге), используя размеры x (горизонтальный) и y (вертикальный). 3D-принтеры добавляют еще одно измерение — глубину (z). В процессе печати головки принтера могут перемещаться вверх и вниз, влево и вправо, вперед и назад, но вместо того, чтобы доставлять чернила на бумагу, распределяют различные материалы — полимеры, металл, керамику и даже шоколад — до «печати» целостного, объемного предмета, слой за слоем в процессе, известном как «аддитивное производство».

Чтобы создать 3D-объект, нужен его план — цифровой файл, созданный с помощью программного обеспечения для моделирования. После его создания сгенерированная компьютером модель отправляется на принтер. Выбранный вами материал загружен в устройство и готов к нагреву, чтобы легко вытекать из сопла принтера. Когда принтер читает план, его головка перемещается, внося последовательные слои выбранного материала для создания конечного продукта.

Когда каждый слой печатается, он превращается в твердую форму либо путем охлаждения, либо за счёт смешивания двух разных растворов, доставляемых головкой принтера. Новые слои точно ложатся на предыдущие, чтобы получился устойчивый, связный элемент. Таким способом можно создать практически любую форму, включая движущуюся.

Биопринтеры работают почти так же, как и 3D-принтеры, с одним ключевым отличием — они наносят слои биоматериала, который может включать живые клетки, для создания сложных структур, таких как кровеносные сосуды или ткани кожи.

Живые клетки? Где они их берут? Каждая ткань в организме состоит из разных типов клеток. Необходимые клетки (почек, кожи и так далее) берут у пациента и затем культивируют до тех пор, пока их не станет достаточно для создания «био-чернил», которые загружаются в принтер. Это не всегда возможно, поэтому для некоторых тканей берут стволовые клетки, которые способны становиться любой клеткой в теле (организме), или, например, свиной коллагеновый белок, морские водоросли и другие.

Часто в биопечати используют хитозан — полисахарид, полученный из внешнего скелета моллюсков (например, креветок) или путем брожения грибов. Этот материал имеет высокую биосовместимость и обладает антибактериальными свойствами. Его недостаток — низкая скорость гелеобразования. Другой популярный материал — полисахарид, выделенный из морских водорослей, под названием агароза. Его преимущества — высокая стабильность и возможность нетоксичного сшивания при исследованиях. Однако этот биоматериал не разлагается и обладает плохой клеточной адгезией (способностью клеток слипаться друг с другом и с другими субстратами).

Первичный структурный белок, который содержится в коже и других соединительных тканях — коллаген — имеет высокую биологическую значимость. Он является наиболее распространенным белком млекопитающих и основным компонентом соединительной ткани. К его недостаткам для биопечати относят свойство кислоторастворимости. Больше информации о биоматериалах можно найти здесь.

Как правило, нужно больше, чем просто клетки, поэтому большинство биопринтеров также поставляют какой-то органический или синтетический «клей» — растворимый гель или коллагеновый каркас, к которому клетки могут прикрепляться и расти. Это помогает им формироваться и стабилизироваться в правильной форме. Удивительно, но некоторые клетки могут принять правильное положение сами по себе без каких-либо «строительных лесов». Как они узнают, куда идти? А как клетки эмбриона развиваются в матке или ткань взрослого человека движется для восстановления повреждений? Так же и здесь.

Университеты, исследователи и частные компании по всему миру вовлечены в развитие технологий биопечати. Давайте посмотрим на некоторые из удивительных вещей, над которыми они работают.

Также космонавты будут выращивать белковые кристаллы и экспериментировать с печатью биоплёнок бактерий для изучения их поведения в условиях невесомости. Российские учёные ожидают получить уникальные научные данные, которые могут быть применимы при разработке новых лекарственных препаратов.

Научный руководитель компании «3Д Биопринтинг Солюшенс» и ведущий научный сотрудник Института регенеративной медицины, кандидат медицинских наук Владимир Миронов в своем выступлении на кафедре анатомии Сеченовского Университета 2 сентября отметил: «Живые клетки, ткани и органы человека будут синтезированы уже в текущем столетии. Для этого морфологические науки, такие как микроскопическая анатомия и гистология, надо оцифровизировать или диджитализировать, то есть перевести в цифровой формат и сделать доступными для компьютерных программ роботических биопринтеров, так как без цифровых моделей нельзя напечатать человеческие ткани и органы».

Ежегодно миллионы людей во всем мире нуждаются в пересадке кости. Современные костные трансплантаты часто используют синтетический материал на основе цемента в сочетании с собственной костью пациента. Однако применение этих материалов имеет ряд ограничений — некоторые трансплантаты вызывали отторжение и воспалительные процессы у пациентов. Воспроизведение естественного «интерфейса» кость-хрящ также было проблематичным.

Тем не менее, команда из Университета Суонси в 2014 году разработала технологию биопечати, которая позволяет создать искусственный костный протез в точной форме требуемой кости, используя биосовместимый материал, который является одновременно долговечным и регенеративным. Над аналогичными исследованиями в то же время работали и ученые из Ноттингемского университета в Англии.

Чтобы напечатать небольшую кость, требуется около двух часов. Поэтому хирурги могут сделать её прямо в операционной. Затем эта часть кости покрывается стволовыми клетками взрослого человека, способными развиваться практически в любой другой тип клеток. Это сочетается с био-чернилами из принтера — комбинацией полимолочной кислоты (которая обеспечивает механическую прочность кости) и альгината — гелеобразного вещества, которое служит амортизирующим материалом для клеток. Затем конечный продукт имплантируется в организм, где в течение примерно трех месяцев полностью исчезнет и будет заменен новой костью.

Исследователи надеются, что в будущем биопечатаемые кости могут быть созданы с достаточной надежностью, чтобы поддержать сложную реконструкцию позвоночника, и что костный материал будет дополнительно улучшен для повышения его совместимости с клетками хряща.

Успешные опыты 3D-печати человеческого хряща в скором времени могут полностью заменить искусственные имплантаты людям, нуждающимся в реконструктивной хирургии. Еще в 2015 году ученые в Цюрихе разработали технологию, которая позволит больницам печатать полноразмерный имплантат человеческого носа менее чем за 20 минут. Они считают, что любой хрящевой имплантат может быть изготовлен по их методике.

Исследователь Матти Кести описал технологию так:

Если человек сильно обожжен, здоровую кожу можно взять из другой части тела и использовать для покрытия пораженного участка. Иногда неповрежденной кожи не хватает.

Исследователи, работающие в Медицинской школе Уэйк Форест, успешно разработали, построили и протестировали принтер, который может печатать клетки кожи непосредственно на ожоговой ране. Сканер очень точно определяет размер и глубину повреждений. Эта информация передается на принтер, и печатается кожа для покрытия раны. В отличие от традиционных кожных трансплантатов, требуется только участок кожи, размер которого составляет одну десятую от размера ожога, чтобы вырастить достаточное количество клеток для печати. Пока эта технология находится на экспериментальной стадии, и исследователи надеются, что она будет широко доступна в течение следующих пяти лет.

Как уже упоминалось, 3D-принтеры печатают изделия послойно, и поскольку кожа представляет собой многослойный орган с различными типами клеток, она хорошо подходит для данного типа технологий. Тем не менее, исследователям предстоит решить еще много задач, в частности, как предотвратить повреждение клеток от тепла, выделяемого принтером. И конечно же, как и большинство частей человеческого тела, кожа более сложная, чем кажется на первый взгляд — есть нервные окончания, кровеносные сосуды и множество других аспектов, которые необходимо учитывать.

Инженер-биомеханик Моника Мойя держит чашку Петри с печатными биотрубками на основе альгината. Биотрубки могут действовать как временные кровеносные сосуды, аналогичные кровеносным сосудам, которые помогают создать участок живой ткани.

Учитывая, что в теле человека десятки тысяч километров вен, артерий и капилляров, исследователи работают над тем, чтобы заменить их, если они когда-нибудь износятся. Создание жизнеспособных кровеносных сосудов также важно для правильной работы всех других потенциальных биопечатных частей тела.

Инженер-биомеханик Моника Мойя из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса использует биопечать для создания кровеносных сосудов. Материалы, созданные ее биопринтерами, спроектированы таким образом, чтобы позволить маленьким кровеносным сосудам развиваться самостоятельно.

Эта разработка требует времени, поэтому распечатываются пробирки с клетками и другими биоматериалами, чтобы помочь доставить жизненно важные питательные вещества в окружающую печатную среду. Через некоторое время самосборные капилляры соединяются с биопечатными трубками и начинают самостоятельно доставлять питательные вещества в клетки, имитируя работу этих структур в организме человека.

Врачи и ученые Института регенеративной медицины Уэйк Форест (WFIRM) были первыми в мире, кто создал органы и ткани, выращенные в лабораторных условиях, которые были успешно пересажены в человека. Прямо сейчас они работают над выращиванием тканей и органов для более чем 30 различных областей тела, от почек и трахеи до хрящей и легких. Также они стремятся ускорить доступность этих методов лечения для пациентов.

Ученые в Австралии тоже занимаются подобными исследованиями. Они использовали человеческие стволовые клетки для выращивания почечного органа, который содержит все необходимые типы клеток для почек. Такие клетки могут служить ценным исходным источником для биопечати более сложной структуры почек.

Доктор медицины, профессор урологии, профессор Института регенеративной медицины Энтони Атала показывает почку, созданную биопринтером. Модифицированный настольный струйный принтер распыляет клетки вместо чернил. Клетки культивировали у пациента, а структурный шаблон для почки получили из МРТ (поэтому он имеет правильный размер и форму).

Используя эту технологию, еще в 2001 году Атала напечатал и успешно пересадил мочевой пузырь для молодого человека Джейка.

Удивительно, но именно сердце человека может стать одним из самых легких органов для печати, поскольку оно, по сути, представляет собой насос с трубками. Конечно, всё не так просто, но многие исследователи считают, что человечество научится печатать сердца раньше, чем почки или печень.

Исследователи Института регенеративной медицины Уэйк Форест в апреле 2015 года создали «органоиды» — напечатанные на 3D-принтере полностью функциональные, бьющиеся сердечные клетки.

«Это первый случай, когда кто-либо где-либо успешно спроектировал и напечатал целое сердце с клетками, кровеносными сосудами, желудочками и камерами», — рассказал ученый Тель-Авивского университета профессор Тал Двир.

До сих пор ученым удавалось печатать ткани хряща и, например, аортального клапана, но задача заключалась в том, чтобы создать ткани с васкуляризацией — кровеносными сосудами, включая капилляры, без которых органы не могут выжить, не говоря уже о функционировании.

Тель-авивские ученые начали с жировой людской ткани и разделили клеточные и неклеточные компоненты. Затем они перепрограммировали клетки, чтобы те превратились в недифференцированные стволовые клетки, которые затем могли бы стать сердечными или эндотелиальными. Эндотелий — однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность сердечных полостей, кровеносных и лимфатических сосудов. Клетки эндотелия исполняют множество функций сосудистой системы, например, контролируют артериальное давление, регулируют компоненты свертывания крови и формирование новых кровеносных сосудов.

Неклеточные материалы, включая большое количество белков, были переработаны в «персонализированный гидрогель», который служил «чернилами для печати».

Пройдут годы, прежде чем эта технология сможет создавать органы для эффективной трансплантации. Тем не менее, достижения ученых в Тель-Авиве являются огромной вехой на этом пути.

Одна из ключевых потенциальных областей использования биопечатных живых материалов — это область медицинских испытаний и исследований лекарственных препаратов. Биопечатные ткани обладают несколькими типами клеток с разной плотностью и ключевыми архитектурными особенностями. Благодаря этому исследователи могут изучать воздействие различных заболеваний на организм, этапы прогрессирования заболевания и возможные способы лечения в естественной микросреде.

Одним из самых впечатляющих достижений последних лет является разработка «настольного мозга» в Центре передовых технологий ARC в 2016 году. Исследователи смогли с помощью 3D-принтера создать трехмерную печатную шестислойную структуру, включающую нервные клетки, которые имитируют структуру мозговой ткани.

Это открывает огромные потенциальные выгоды для исследователей, фармацевтических и частных компаний, потому что позволит им тестировать новые продукты и лекарства на ткани, которая точно отражает реакции ткани человеческого мозга, в отличие от образцов животных, которые могут вызывать совершенно другую реакцию. «Настольный мозг» также может быть использован для дальнейшего исследования таких заболеваний, как шизофрения или болезнь Альцгеймера.

Мы еще далеки от печати мозга, но способность располагать клетки так, чтобы они образовывали нейронные сети, является значительным шагом вперед. Позволяя исследователям работать с человеческими тканями в режиме реального времени, можно значительно ускорить процессы тестирования и давать более реалистичные и точные результаты. Это также снизит необходимость использования лабораторных животных для медицинских анализов и потенциально опасных испытаний на людях.

В настоящее время в мире используется около 3000 медицинских тренажеров, помогающих врачам практиковаться в выполнении сложных процедур. Виртуальные кровеносные сосуды, 3D-печатные органы… и ни одно животное не страдает!

Американская компания 3D Systems создала отраслевой сегмент под названием VSP (Virtual Surgical Planning). Этот подход к персонализированной хирургии сочетает в себе знания в области медицинской визуализации, хирургического моделирования и 3D-печати. Хирурги, впервые использующие медицинский симулятор Simbionix, часто сообщают о чувстве физической боли, сопереживая своему виртуальному пациенту — опыт настолько реалистичен. Органы и ткани выглядят совершенно реальными. При сшивании органа хирург видит на экране иглу, попадающую в ткань, и натягивает нить. Если врач делает что-то не так, виртуальные кровеносные сосуды ломаются, и орган начинает кровоточить. Эти симуляторы были разработаны израильской компанией «Симбионикс», которую в 2014 году выкупила 3D Systems.

3 сентября 2019 года Общество радиологии Северной Америки (RSNA) и Американский колледж радиологии (ACR) объявили о запуске нового реестра клинических данных медицинской 3D-печати, чтобы собирать сведения о результатах лечения с использованием 3D-печати по месту оказания медицинской помощи. Эта информация станет мощным инструментом для оценки и улучшения качества обслуживания пациентов в режиме реального времени, будет стимулировать текущие исследования и разработки, информировать пациентов и медицинских работников о наилучшем курсе лечения.

Производитель биопринтеров и программного обеспечения для биопечати Allevi 5 сентября 2019 года представил программное обеспечение Allevi Bioprint Pro. Встроенная генерация моделей и интегрированная нарезка позволит больше сосредоточиться на проведении экспериментов, а не на настройке принтера. Программа работает полностью в облаке, а это означает, что можно создавать свои биоструктуры, определять материалы и отслеживать отпечатки прямо из веб-браузера на любом компьютере.

По словам команды разработчиков, новый биопринтер с вышеуказанным ПО мощный и простой в использовании и представляет собой еще один кусочек головоломки на пути к печати органов с помощью 3D-принтера.

Печать органов на 3D-биопринтере — фантастическая реальность регенеративных технологий

Клетки пациента вместо чернил и 3D-биопринтер позволяют создавать биоматериал прямо во время срочной операции. Кожа, сосуды, хрящи, кости и даже жизненно важные органы целиком — все это можно производить, вместо того чтобы дожидаться доноров.

Лет пять назад на российских конференциях было модно показывать работающий 3D-принтер, который мог печатать разные занятные вещицы. Тогда все еще спрашивали про получившийся молоток, лампу на шарнирах или гаечный ключ: «И что, ими правда можно пользоваться?» Сегодня ученые вплотную занимаются 3D-биопечатью — процессом, в ходе которого можно создать биоматериал, основанный на собственных клетках пациентов. Реализовано уже множество удачных экспериментов по созданию органов тела. И некоторыми из них «пользуются»: с таким биоматериалом живут уже тысячи людей.

Ученые всего мира работают над тем, чтобы человеческий биоматериал стало возможно «напечатать» на специальных устройствах, например прямо во время срочной операции. Причем не только сосуды, кожу, хрящи и кости, а и жизненно важные органы. Это откроет широчайшие возможности по спасению людей: после аварий, во время чрезвычайных ситуаций, при инфарктах и инсультах нет времени искать доноров, да их и в «штатных» ситуациях всегда не хватает.

На 3D-печать возлагают большие надежды специалисты в области регенеративной медицины. Сегодня сотни тысяч пациентов стоят в очереди на получение различных органов. Только в США можно было бы спасти 900 тыс. человек, которые умерли, не дождавшись биоматериала. По оценкам специалистов, в России ежегодно нуждается в трансплантации более 15 тыс. человек, при этом такие операции проводятся только для 2,2 тыс. человек. Помимо прочего, созданные в специальных условиях органы могут решить проблему приживаемости, которая остро стоит при пересадке донорских частей тела.

Как печатают биопринтеры

Основой для печати биоматериала служит трехмерная модель, которую генерируют с помощью компьютерной томографии или МРТ на базе клеток пациента, а затем создают архитектуру ткани. Владимир Миронов, профессор Университета Содружества Виргинии (США) и научный руководитель российской компании 3D Bioprinting Solutions, рассказывает, что суть метода состоит в сборке тканей и органов из конгломератов клеток, подобно конструктору. Осуществляют такую сборку, или биопечать, на специально разработанных 3D-биопринтерах, подобно тому, как печатают на 3D-принтерах различные детали: послойно, по цифровой (компьютерной) трехмерной модели.

Используются три основных типа принтеров: струйные, лазерные и экструзионные. Картриджи принтеров при этом заправляют сфероидами — конгломератами клеток, которые «капают» на специальную подложку — своеобразную биобумагу. Напечатав один слой из клеточных сфероидов, сверху наносят второй, который «срастается» с первым. Так постепенно получают объемный живой объект — ткань или орган.

Процесс биопечати выглядит так:

После завершения процесса печати полученный материал нуждается в финальной обработке, чтобы сохранить целостность ткани, создав клеткам подходящие условия для роста и образования органов и сосудов. Они дозревают в специальных условиях.

Устройства для биопечати используют уже более 15 лет. В 2003 г. Томас Боланд из Университета Клемсона в Южной Каролине (США) получил патент на 3D-печать для изготовления клеточной конструкции с использованием струйной печати. В 2008 г. профессор Макото Накамура из Университета Тояма первым представил готовое устройство для печати биоматериалов. Ему впервые удалось напечатать биологическую трубку, похожую на кровеносный сосуд. В 2010 г. Компания Organovo из Сан-Диего (США) напечатала первый полноценный кровеносный сосуд, в 2015 г. она начала продажи специальных биочернил для печати тканевого хряща. Также Organovo разработала многоголовочный принтер с отдельными печатающими головками для клеток сердца, эндотелиальных клеток. В начале 2014 г. компания Rainbow Coral Corp из США при поддержке специалистов из Nano3D Biosciences создала первый коммерческий биопринтер, предназначенный не для печати органов, а для исследовательских работ фармацевтов.

Сегодня устройства для биопечати производят 80 компаний в мире, причем в пятерку лучших стабильно входит Fabion — трехмерный принтер российской компании 3D Bioprinting Solutions.

Что печатают на 3D-биопринтерах

В начале двухтысячных ученые могли создавать в основном сосуды и небольшие хрящи. Первым серьезным успехом в сфере 3D-биопечати стала пересадка в 2006 г. американскими специалистами органов реципиентам от 4 до 19 лет, у которых плохая работа мочевого пузыря угрожала целостности почек. Операции прошли удачно, приживаемость органов оказалось высокой, поскольку их создали из собственных клеток доноров. Руководил этим проектом Энтони Атала, который уже много лет ведет работы в данном направлении и сегодня является директором Института регенеративной медицины Медицинской школы Университета Уэйк Форест. В лаборатории Аталы «выращивают» до 30 различных видов клеток и органов, а также хрящи и кости фаланги пальцев, тазобедренные суставы, детали грудной клетки. Недавно ученые смогли создать уши и носы, а также вагину. Главный заказчик и спонсор разработок Аталы — американское Министерство обороны, а многие пациенты — военные, пострадавшие в результате боевых действий.

В этом году ученые из Университета Торонто и научно-исследовательского института Саннибрука создали портативный 3D-биопринтер весом 0,8 кг для печати кожи. В частности, с его помощью можно будет печатать кожу послойно прямо на поверхности раны пациента, в качестве основы используя предварительно отобранные и размноженные клетки пациента. Подробно о процессе рассказывает Nature’s Scientific Report.

Исследование действия распечатанной кожи на мышах, фото:

Что касается таких сложных органов, как печень, почки, сердце, то самыми большими успехами сегодня считаются их «выращенные» части, а также модели для пересадки животным. Их печатью на 3D-принтере в полном объеме занимается всего несколько компаний. Наибольших успехов в этой области достигли специалисты американской компании Organovo, сумевшие напечатать печень, почки, а также печеночную и почечную ткань.

Среди проблем, которые стоят на пути ученых к созданию при помощи биопринтера жизненно важных органов, — и несовершенство цифровых моделей по сравнению с организмом человека, и возможность мутаций. Также сдерживающим фактором является недостаточное финансирование. Лаборатории нуждаются в миллионах на продолжение исследований, которые им не всегда готовы предоставить даже правительственные организации. А потому они ищут возможности для коммерциализации своих проектов в существующих условиях. Так, Organovo и некоторые другие крупные лаборатории поставляют материал для испытания экспериментальных фармацевтических составов. Такой подход позволяет производителям лекарств разрабатывать безопасные и менее токсичные антибиотики. После того, как с 2012 г. косметологическим компаниям в Европе запретили проводить клинические испытания косметологических препаратов на животных, крупные организации из этой сферы стали инвестировать в 3D-разработки. Сегодня Organovo поставляет свой конструкт печени фармацевтическим компаниям Merk, Janssen Research and Development, Astellas Pharma и другим. Procter & Gamble и L’Oreal покупают конструкты напечатанной кожи у Organovo, Poletis и Сингапурского университета.

Где печатают

Сегодня в мире около 50 частных компаний реализует коммерческие проекты в области биопечати. Большинство из них локализовано в США, Китае и Европе. На реализацию подобных программ требуются огромные суммы, выделить которые не всегда могут себе позволить даже крупные коммерческие организации, поэтому ученые в большей степени рассчитывают на господдержку.

Поскольку американское правительство активно инвестирует в подобные программы (кроме Wake Forest, сотрудничающей с Пентагоном, на воссоздание работы печени, сердца и легких значительные суммы получает и Массачусетский технологический институт), большинство успешных проектов сосредоточено именно здесь. Например, один из первых биопринтеров, произведенных в мире, был собран на средства Министерства обороны США, и на его разработку было потрачено порядка 25 миллионов долларов. А Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США в 2018 г. выделило пяти НИИ из сферы 3D-биопечати грант в размере 2,5 млн долл.

Серьезные инвестиции на развитие этой сферы направляют и азиатские страны: в частности, у Сингапура и Китая есть обширные программы по развитию технологий биопечати.

3D-биопринтеры в России

В России объемы финансирования данного направления пока очень малы. Безусловно, с этим в первую очередь связан тот факт, что фактически весь отечественный рынок 3D-биопечати принадлежит одному игроку — компании 3D Bioprinting Solutions, открытой в Москве в 2013 году. Исследования в данном направлении ведутся и в других лабораториях страны. Например, на Урале работает Центр биотехнологии и биоинжиниринга, в распоряжении которого имеется биопринтер, позволяющий создать человеческую кожу, однако о его громких успехах пока не известно.

Что касается 3D Bioprinting Solutions, то этой компании за несколько лет работы удалось достичь очень многого. Так, специалисты наладили производство сырья для биопечати — тканевых сфероидов стандартной формы, что позволило в разы ускорить процесс. Кроме того, они создали в лаборатории полностью функциональную щитовидную железу мыши, которая была успешно пересажена подопытной мыши. В ходе эксперимента использовался инновационный отечественный 3D-принтер 3DBio. Также одним из впечатляющих успехов команды стало создание биопринтера для работы в космосе «Орган.Авт». С его помощью впервые в мире в космосе с помощью магнитной левитации на 3D-принтере были напечатаны человеческий хрящ и щитовидная железа мыши.

Несмотря на успехи 3D Bioprinting Solutions, говорить об использовании полученного в процессе биопечати биоматериала для нужд регенеративной медицины в России пока очень рано. Сейчас практическое применение этих продуктов ограничивается фармакологией и моделированием патологий, включая воспаления, генетические заболевания, метастазы, опухоли, фиброз. Среди факторов, затрудняющих развитие данной сферы, — не только недостаточное финансирование, но и сложности со стандартизацией. Поскольку у разных компаний свои подходы к созданию трехмерных конструктов, взаимодействовать им непросто. Да и вообще, прежде чем таким искусственно выращенным органам придадут в нашей стране «официальный» статус, пройдет немало времени.

Между тем эксперты не сомневаются, что мировой рынок 3D-биопечати продолжит расти. Так, по оценкам аналитиков Grand View Research, в настоящее время его объем оценивается в 965 млн долл., а среднегодовые темпы роста до конца 2026 года составят 19,5%. Эксперты Reports & Data считают, что объем глобального рынка 3D-биопечати к 2026 году достигнет 4,4 млрд долл., а инвестиции в исследования в этой сфере составят более 1,74 млрд долл.

Растущий рынок требует новых ресурсов. Уже сегодня есть спрос на специалистов, которые необходимы для развития направления 3D-биопечати. Помимо ученых, специализирующихся на узких сегментах, очень нужны люди, обладающие глубокими знаниями сразу в нескольких отраслях (биологии, анатомии, физике и математике) и синтетическим мышлением. В первую очередь речь идет о дизайнерах биопечати — специалистах, ответственных за разработку макетов искусственных органов и тканей. В настоящее время в России нет вузов, где можно получить образование по этой специальности, но есть специальные курсы (в том же 3D Bioprinting Solutios). Между тем мировые тенденции свидетельствуют, что уже в течение 10 лет станет возможна трансплантация искусственно созданных органов человеку, а потому инвестиции в развитие данного направления, включая сферу образования, имеют очень большое значение.

Напечатанная на 3D-принтере челюсть пересажена пожилой женщине (ВИДЕО). Будущее наступает!

В результате заболевания остеомиелитом, 83-летняя жительница Бельгии лишилась возможности говорить, жевать, и даже нормально дышать. Болезнь поразила её нижнюю челюсть. Решением проблемы пациентки занялись специалисты из университета Хасселта (Universiteit Hasselt).

Поскольку костная структура не подлежала восстановлению, медики приняли решение изготовить протез. Благодаря современным технологиям стало возможным не только создать компьютерную 3D-модель необходимого элемента, но и изготовить его при помощи трёхмерного принтера.

Сначала при помощи магнитно-резонансной томографии специалисты определили точную форму нижней челюсти пожилой пациентки. Затем компания LayerWise занялась изготовлением протеза. Используя 3D-модель, специальный “принтер” при помощи лазера запёк слой за слоем титановый порошок в конечную структуру.

Перед пересадкой искусственную челюсть покрыли биосовместимым керамическим материалом. Общий вес новой челюсти составил 107 граммов. Несмотря на то что она оказалось на треть тяжелее настоящей, разница в весе не помешает старушке, считают медики. Она быстро привыкнет к протезу, уверены они.

“Пробудившись от анестезии после четырёхчасовой операции, пациентка смогла сказать несколько слов, а днём она позже уже снова нормально говорила и глотала”, – рассказал BBC News Жюль Пукан (Jules Poukens), профессор университета Хасселта, руководивший процессом пересадки.

Уже через четыре дня пожилую женщину отпустили домой. В дальнейшем учёные, вероятно, займутся монтированием в ротовой полости моста для дальнейшей установки на челюсть зубов.

Отметим, что это не первая подобная операция, однако напечатанная “кость” – самая крупная в мире из пересаженных пациентам. Ранее своеобразным рекордсменом был житель Финляндии, которому в 2008 году напечатали половину верхней челюсти.

Специалисты полагают, что данная технология позволит в будущем создавать точные копии и других “запчастей” человека. Биологи постепенно учатся создавать на принтере поклеточные копии мягких органов.

3d-печать стала трендом. Гики собирают в своих подвалах 3d-принтеры, ученые рассматривают варианты использования этого метода при выращивании органов, инженеры печатают прототипы будущих автомобилей и самолетов. То, что еще несколько лет казалось фантастикой уверенно входит в нашу жизнь.

Существует несколько способов 3D печати. Поговорим о каждом из них отдельно:

Печать расплавленным материалом

Это, пожалуй, самый простой способ. Печать производится слоями. Сначала печатающая головка, закрепленная на координатной системе станка, передвигается по осям X/Y. Расплавленный материал, например пластик, вылавливается из тонкого сопла (размер около 0,3-0,5 мм) и застывает. Напечатав один слой, печатающая головка немного приподнимается (меняет координату по оси Z) и печатает следующий слой.

Существуют разные варианты принтеров. Они различаются тем, как реализовано передвижение по 3-м осям, подачей материала, возможностью использовать разные материалы и так далее

Суть этой технологии так же проста: сначала тонким слоем насыпается мелкий порошок, выравнивается, потом идет головка и как в струйном принтере окрашивает порошок в нужный цвет специальным клеем. Потом все повторяется: порошок, выравнивание, клей. Слои накладываются друг на друга образуя нужную модель. Как раз такой аппарат появился недавно в БФУ им. Канта.

Практически ничем не отличается от печати порошком. Только вместо печатающей головки используется лазер спекающий порошок вместо клея. Спекли слой, насыпали новый, спекли — насыпали и т.д. Бристольское отделение знаменитой аэрокосмической и оборонной компании EADS по этой технологии «испекло» велосипед.

Вот пример, как используя технологию лазерного спекания, ученые создали чашу из обычного песка:

При печати фотополимером на материал проецируется срез модели, и он застывает в том месте, где был освещен. Модель поднимается, материал добавляется, следующий срез засвечивается, и так далее.

Вот пример работы такого принтера, созданного в домашних условиях:

Где это все можно применить?

• Быстрое создание прототипов модели.
• Быстрое производство малосерийного производства из материалов, поддерживаемых 3в-принтерами (обычно пластик)
• Изготовление моделей и форм для литейного производства
• Изготовление моделей из прозрачных пластиков позволяет увидеть работу конструкции изнутри. Например, инженерами Porsche этот метод использовался при изучении тока масла в трансмиссии автомобиля еще на этапе разработки автомобиля.
• Производство различных мелочей и сувениров в домашних условиях.
• С развитием этих технологий области применения заметно расширяются. Например, уже сейчас можно говорить об использовании 3d-печати в медицине при протезировании зубов.

Уникальная разработка компании «ВА Инструментс» — лазерный диодный маркиратор Fast Line мощностью 30 Вт — создан для удобной и простой инсталляции и обслуживания на конвейерных линиях любой сложности.

Эта недорогая, экономичная и надежная лазерная система идеально подходит для решения большинства базовых задач. Например, маркировка 1-2 строк текста или логотипов на крашеной бумаге, картоне, этикетке или окрашенном металле при скорости поточной линии до 100 м/минуту.

Длина волны 1µ обеспечивает маркировку практически любого непрозрачного материала, тем самым предоставляя дополнительную возможность нанесения печати на объект, упакованный в прозрачную пленку без повреждения последней.

В США напечатали на 3D-принтере бионический глаз

Бесплатная техническая библиотека:
▪ Все статьи А-Я
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
▪ Новости науки и техники
▪ Архив статей и поиск
▪ Ваши истории из жизни
▪ На досуге
▪ Случайные статьи
▪ Отзывы о сайте

Справочник:
▪ Большая энциклопедия для детей и взрослых
▪ Биографии великих ученых
▪ Важнейшие научные открытия
▪ Детская научная лаборатория
▪ Должностные инструкции
▪ Домашняя мастерская
▪ Жизнь замечательных физиков
▪ Заводские технологии на дому
▪ Загадки, ребусы, вопросы с подвохом
▪ Инструменты и механизмы для сельского хозяйства
▪ Искусство аудио
▪ Искусство видео
▪ История техники, технологии, предметов вокруг нас
▪ И тут появился изобретатель (ТРИЗ)
▪ Конспекты лекций, шпаргалки
▪ Крылатые слова, фразеологизмы
▪ Личный транспорт: наземный, водный, воздушный
▪ Любителям путешествовать – советы туристу
▪ Моделирование
▪ Нормативная документация по охране труда
▪ Опыты по физике
▪ Опыты по химии
▪ Основы безопасной жизнедеятельности (ОБЖД)
▪ Основы первой медицинской помощи (ОПМП)
▪ Охрана труда
▪ Радиоэлектроника и электротехника
▪ Строителю, домашнему мастеру
▪ Типовые инструкции по охране труда (ТОИ)
▪ Чудеса природы
▪ Шпионские штучки
▪ Электрик в доме
▪ Эффектные фокусы и их разгадки

Техническая документация:
▪ Схемы и сервис-мануалы
▪ Книги, журналы, сборники
▪ Справочники
▪ Параметры радиодеталей
▪ Прошивки
▪ Инструкции по эксплуатации
▪ Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатный архив статей
(500000 статей в Архиве)

Алфавитный указатель статей в книгах и журналах

Бонусы:
▪ Ваши истории
▪ Викторина онлайн
▪ Загадки для взрослых и детей
▪ Знаете ли Вы, что.
▪ Зрительные иллюзии
▪ Веселые задачки
▪ Каталог Вивасан
▪ Палиндромы
▪ Сборка кубика Рубика
▪ Форумы
▪ Голосования
▪ Карта сайта

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

Перевод:
Наталья Кузнецова

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на https://www.diagram.com.ua

сделано в Украине

Прототип бионического глаза напечатан на 3D-принтере 02.09.2018

Группа исследователей из Университета Миннесоты впервые с помощью 3D-принтера напечатала множество световых рецепторов на полусферической поверхности. Это открытие знаменует собой значительный шаг к созданию “бионического глаза”, который когда-нибудь поможет слепым людям видеть, а зрячим – видеть лучше.

Ученые начали с полусферического стеклянного купола, чтобы показать, как они могут преодолеть проблему печати электроники на изогнутой поверхности. Используя свой 3D-принтер, они начали с базовых чернил на серебряных частицах. Распределенные чернила оставались на месте и высушивались равномерно, а не стекали по кривой поверхности. Затем исследователи использовали полупроводниковые полимерные материалы для печати фотодиодов, которые преобразуют свет в электричество. Весь процесс занял около часа.

По мнению специалистов, следующие шаги состоят в том, чтобы создать прототип с более легкими, но и более эффективными рецепторами. Вторая задача – найти способ печати на мягком полусферическом материале, который может быть имплантирован в настоящий глаз.

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Исследователи из Университета штата Вашингтон тестируют высокотехнологичный подход к предотвращению ожогов яблок на фоне глобального потепления климата. Летнее солнце помогает яблокам созревать и приобретает их классический красный цвет, но жара часто становится причиной ожога плодов. В то время как листья яблони способны впитывать солнечный свет, фрукты также не рассеивают тепло. Солнечный ожог происходит всего за 10 минут, вызывая нарушения, ухудшающие качество и внешний вид фруктов – напри . >>

Компания Contemporary Amperex Technology (CATL) пердставила натрий-ионный аккумулятор первого поколения, а также ее аккумуляторный блок AB, способный совмещать натрий-ионные и литий-ионные элементы в одном модуле. По принципу работы натрий-ионный аккумулятор аналогичен литий-ионному. Ионы натрия также перемещаются между катодом и анодом. Однако по сравнению с ионами лития ионы натрия имеют больший объем и более высокие требования в отношении структурной устойчивости и кинетических свойств мат . >>

Используя данные обсерватории Кека на Гавайях, международная команда астрономов создала наиболее подробную тепловую карту верхних слоев атмосферы газового гиганта, впервые подтвердив, что мощные полярные сияния Юпитера ответственны за нагрев всей планеты, сообщает пресс-служба Университета Лестер (Великобритания). Полярные сияния возникают, когда заряженные частицы солнечного ветра попадают в магнитное поле планеты. Они движутся по спирали вдоль силовых линий к магнитным полюсам планеты, удар . >>

Компания Amazon продолжает попытки сделать умные дома еще умнее – даже там, где это не то чтобы требуется. Представлен умный дозатор мыла из всех, ранее известных. Устройство Amazon оснащено LED-экраном, который отсчитывает 20 секунд. Именно столько ВОЗ рекомендует мыть руки, что особенно актуально во время пандемии коронавируса. Ладно, вот это даже полезно! Идем дальше. Благодаря встроенному модулю Wi-Fi (да. ) дозатор подключается к умным колонкам Amazon. И вот начинается то, ради чего . >>

Тестостерон – один из гормонов, управляющих работой половой системы, но кроме того, считается, что он влияет на поведение – повышает агрессивность, уверенность в себе, готовность идти на риск, заставляет стремиться к победе любой ценой и прочее в том же духе. Соответственно, его порой называют “гормоном победы”. У спортсмена с высоким уровнем тестостерона должно быть больше шансов на золотую медаль, и то же самое касается жизненных достижений вообще – женщины и мужчины с повышенным тестостероном . >>

Случайная новость из Архива

Жесткие диски Seagate NAS объемом до 4 ТБ для хранилищ с сетевым подключением 25.06.2013

Компания Seagate Technology представила Seagate NAS HDD – накопители на жестких магнитных дисках, оптимизированные для использования в хранилищах с сетевым подключением и числом отсеков для накопителей от одного до пяти. По словам Seagate, при разработке накопителей упор был сделан на производительность и надежность. В линейку вошли модели объемом 2, 3 и 4 ТБ.

По оценке Seagate, новые HDD на 30% превосходят конкурирующие решения по объему и на 10% – по производительности.
К другим достоинствам относится низкий уровень шума – 1,9-2,5 Б (в зависимости от модели и режима работы) и применение фирменной технологии NASWorks, повышающей надежность работы накопителя за счет ограничения уровня вибраций и улучшенной коррекции ошибок.

Накопители Seagate NAS оснащены интерфейсом SATA 6 Гбит/с.

Печать лекарств на 3D-принтере

11 сентября 2018

Печать лекарств на 3D-принтере

• 1468
• 0,9
• 1
• 3

Таблетка формируется путем печати слоев полимера, смешанного с лекарственным препаратом

Автор

• Алексей Королёв