Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • Vitacoin

Кожа из 3D-принтера

3D-принтер на Arduino печатает функциональную человеческую кожу

Анатолий Ализар, Geektimes
(ссылки на источники см. в оригинале статьи)

skin1.jpg

По оценке ВОЗ, ежегодно около 11 млн пациентов в мире нуждаются в пересадке кожи после ожогов, а у 265 тыс. пострадавших повреждения кожи настолько обширны, что ведут к летальному исходу. Пересадка кожи требуется также в результате различных патологий, инфекций, после операций по удалению раковых опухолей, из-за генетических и соматических болезней.

Обычно для восстановления кожи используются аутогенные трансплантаты, когда участок кожи берут у самого реципиента. К сожалению, при большой площади ожогов бывает невозможно найти подходящие участки в достаточном количестве.

Медики пытаются исследовать разные технологии для получения подходящего заменителя, но пока что результаты далеки от идеальных. Результаты ненадёжные: материал получается слишком хрупкий, с ним трудно работать, после пересадки он слишком чувствителен к контакту. В общем, существующие методы изготовления дают чрезвычайно непредсказуемый результат.

В последние годы с помощью новых технологий учёным удалось разработать гораздо более продвинутые субстраты, в которых кожные и эпидермальные компоненты динамически взаимодействуют друг с другом как во время созревания в лаборатории, так и после трансплантации на тело человека. В частности, для изготовления таких субстратов сейчас активно применяется белок фибриноген (и его производный белок фибрин) – компонент плазмы крови, который синтезируется в печени. Этот белок оказался отличным материалом для искусственного субстрата кожи – он дёшев, доступен в большом количестве и удобен в работе.

Около десяти лет группа испанских исследователей впервые изготовила и опробовала субстрат искусственной человеческой кожи из плазмы кожи: см. статью "Clinical Results of an Autologous Engineered Skin", опубликованную в марте 2006 года в журнале Cell Tissue Bank. Клинические испытания показали обнадёживающий результат, но сам процесс пересадки оставался сложным. Во-первых, требовался исключительно квалифицированный персонал: приживление такого субстрата – это научный проект, который выполняется учёными в лаборатории. Было практически нереально повторить его в средней больнице. Кроме того, выращивание субстрата занимало долгое время: 3-4 недели для выращивания одного квадратного метра.

Учитывая большой спрос на искусственную кожу, учёные поставили цель оптимизировать технический процесс – сократить время и стоимость работ, а также максимально автоматизировать работу. И у них получилось.

Печать кожи на 3D-принтере

Как показали исследования последних лет, 3D-биопечать замечательно проявляет себя в печати тканей, печени и других живых органов. Инженеры изучили целый ряд новых материалов, подходящих для биопечати человеческих органов на декартовых координатных роботах (то есть на недорогих современных 3D-принтерах), в том числе гидрогели, полимеры и керамику (для костей). Значительный прогресс достигнут в разработке 3D-конструкции для печати сложных тканей. Общий подход заключается в печати предварительной матрицы слоёв на основе гидрогеля с целью последующего образования перекрёстных связей между ними и формирования 3D-каркаса, который будет поддерживать живые клетки и другие внеклеточные компоненты, встроенные в этот каркас. После определённого времени созревания в лаборатории эта напечатанная ткань или орган могут быть пересажены в организм человека.

Согласно обзору методов 3D-печати человеческой кожи (2016 год, журнал Trends in Biotechnology), здесь есть две основные стратегии: печать на месте повреждения или печать в лаборатории. Во втором случае тоже используются разные подходы.

Группа испанских учёных из Мадридского университета имени Карлоса III, Центра энергетических, экологических и технологических исследований, больницы Hospital General Universitario Gregorio Marañón и коммерческой компании BioDan Group разработали технологический процесс 3D-биопечати, который кажется им наиболее оптимальным, с учётом опыта, накопленного предшественниками. Они применили технику биопечати free-form fabrication (FFF) для печати слоёв с целью последующего образования перекрёстных связей между ними и формирования 3D-каркаса, как было описано выше. В отдельных слоях размещаются фибробласты и кератиноциты, полученные в результате биопсии кожи.

skin2.jpg

Биопринтер для печати человеческой кожи. В четырёх картриджах – плазма крови, фибробласты, хлорид кальция и кератиноциты. Печатью управляет контроллер Arduino (ATmega2560) с RAMPS 1.4 и ЖК-дисплеем. Принтер с двумя шаговыми электродвигателями работает на свободной прошивке Marlin, расчёт траекторий для нанесения слоёв выполняет программа Repetier 0.53. Для контроля объёма наносимой жидкости написан скрипт на C++

Приживление образца напечатанной человеческой кожи на мыши с иммунодефицитом прошло успешно. На иллюстрациях ниже показан гистологический анализ образца через 8 недель после пересадки.

skin3.jpg

Разработанный метод позволяет печатать функциональную человеческую кожу, используя простое оборудование на Arduino и дешёвые материалы: плазму крови, фибробласты и кератиноциты. Тесты показали, что напечатанная кожа очень похожа на настоящую. По мнению разработчиков, такой метод позволяет печатать кожу в объёмах, необходимых для клинического и коммерческого использования. Так, фрагмент кожи 100 см² изготавливается за 35 минут, включая 30 минут застывания фибрина.

Исследователи считают, что за счёт автоматизации и стандартизации печати можно ожидать в будущем значительного удешевления кожи.

Научная работа (Cubo et al., 3D bioprinting of functional human skin: production and in vivo analysis) опубликована в журнале Biofabrication.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 25.01.2017


Читать статьи по темам:

тканевая инженерия кожа Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Настоящая искусственная кожа

Японские биологи впервые создали полноценную искусственную кожу, используя перепрограммированные стволовые клетки и т.н. эмбриоидные тела, которые они выращивали из этих клеток.

читать

Биоинженерный эпидермис для косметологов и фармакологов

Эпидермис (верхний слой кожи), выращенный из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, может заменить лабораторных животных при тестировании лекарств и косметики.

читать

Биопринтер залатает обожженную кожу

В ближайшем будущем биопринтер проверят на свиньях, кожа которых более сходна с человеческой. После клинических исследований его можно будет применять в ожоговых центрах и военно-полевых госпиталях.

читать

Искусственная кожа для генотерапии

Кожный лоскут, выращенный из кератиноцитов и фибробластов с добавочным геном, может доставлять в организм соответствующий белок.

читать

Искусственная кожа для обожженных – «на коленке» и на энтузиазме

В Институте цитологии для пересадки пациентам, пострадавшим во время пожара в Перми, выращивают клетки кожи. На общественных началах: никто за это не платит, а биотехнологического производства, на создании которого несколько лет настаивают разработчики «искусственной кожи», как не было, так и нет.

читать