Bioprinting Technology in the Modern World

  • Authors: Sevriukov K.D.1, Tsouverkalov A.E.2, Zubenko I.V.2
  • Affiliations:
    1. Voronezh State Medical Univercity named N.N. Burdenko
    2. Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko
  • Issue: Vol 12 (2023): МАТЕРИАЛЫ VI ВСЕРОССИЙСКОЙ СТУДЕНЧЕСКОЙ НАУЧНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ «БЕРЕЧЬ И РАЗВИВАТЬ БЛАГОРОДНЫЕ ТРАДИЦИИ МЕДИЦИНЫ»: ВЕРНОСТЬ ПРОФЕССИИ В ИСТОРИИ МОЕЙ СТРАНЫ
  • Pages: 385-388
  • Section: HEALTHCARE ALL OVER THE WORLD
  • URL: https://www.new.vestnik-surgery.com/index.php/2415-7805/article/view/9122

Cite item

Abstract

The purpose of the study was to search for and familiarize with new innovative processes in medicine, in particular, such areas as bio-printing, printing of organic tissues, bio-prototyping, organ replacement, and implants that have become widespread and used. The study considers the use of 3D technologies to create analogues of some parts of the human body. In particular skull, bones, skin, eyes, blood vessels, etc. For the study, original Internet sources were used. The results of the work of research institutes and hospitals in Australia, Great Britain, and the USA are presented. Attention is drawn to the research and application of innovative technologies in Russia, in particular in the medical centers of St. Petersburg. The study is of undeniable interest to those who are interested in innovative processes in medicine, the development and application of biotechnology in everyday life.

Full Text

На заре технологии быстрого прототипирования было широко признано, что 3D-печать изменила все производство, вызвала революцию среди потребителей и принесла принтер в каждый дом. Как и многие новые технологии, быстрое прототипирование нашло применение в совершенно другой области: медицине. В нашем исследовании мы обобщили некоторые возможности применения 3Dпринтеров в медицинской отрасли. 

Так что же такое 3D-принтер? И где он используется?

3D-принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта из цифровой 3D-модели. Эта технология широко распространена в строительстве, робототехнике, а также в медицине, о чём и пойдёт речь в данной статье.

Использование 3D-принтеров в сегодняшних реалиях становится всё более активным — в частности, в медицине. Так, учёные недавно создали уникальный новый материал, который, по всем прогнозам, в ближайшем будущем будет использоваться в качестве искусственной кости, заменив обычные имплантаты, протезы из пластика и металла.

Техника, широко известная как NEST3D, была изобретена учёными из Мельбурнского Королевского Института Технологии (RMIT, Royal Melbourne Institute of Technology в Австралии и больницы Святого Винсента в Мельбурне (St. Vincent's Hospital in Melbourne). [1]

Процесс начинается с 3D-печати макета пустых пространств «лесов», на которых они представлены жёстким поливинилацетатным (ПВА) клеем. Обычная насадка для принтера отлично справится с этой задачей.

Когда выкройка готова, её помещают в форму, в которую заливают биосовместимый и биоразлагаемый жидкий материал (например, специальный полимер), заполняя не занятые выкройкой пространства. Когда полимер затвердеет, клей ПВА просто растворяют в воде. В результате узор исчезает, и остаётся только сложный полимерный «каркас», формирующий нужную структурную форму. С помощью 3D-печати можно реконструировать практически любую утраченную часть тела:

Череп:

Компания OPM (Oxford Performance Materials) [2] первоначально вышла на рынок, торгуя сырой формой высокоэффективного полимера, часто используемого в производстве медицинских имплантатов, термопласта, называемого полиэфиркетонкетоном (PEKK). В феврале 2013 года, например, 3D-имплантат части черепа был имплантирован американскому пациенту и был одобрен Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств (оно же Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA Food and Drug Administration).[3] К процессу литья и печати был проведён очень тщательный подход, чтобы соответствовать исходной геометрии черепа пациента, 75% которого сейчас составляет имплантат.[4]

Кожа:

Учёный Джеймс Ю (JamesYoo) [5] из Института Уэйк Форест (the Wake Forest Institute) на грант, финансируемый Министерством обороны США, работает над машиной, которая сможет печатать кожу непосредственно на людях, пострадавших от ожогов. Ещё одно исследование проводят учёные Ливерпульского университета (University of Liverpool), которые с помощью точно откалиброванных 3D-сканеров получают образцы кожи, сохраняющие все её мельчайшие нюансы, что позволит в будущем печатать более реалистичные имплантаты.[6] Джеймс Ю сказал в интервью, что надеется, что его изобретение получит больше огласки и поможет пациентам прожить свою прошлую жизнь.

Глаза:

Британская компания Фрипп Дизайнз (Fripp Designs and Research) и группа учёных из Университета Шеффилда (University of Sheffield) опубликовали результаты тестирования аналогичного процесса изготовления глазных протезов. Офтальмологические протезы стоят дорого, а поскольку они раскрашиваются вручную, на их изготовление могут уйти месяцы. Принтеры Fripp Designs могут изготавливать 150 протезов глаз в час, а такие детали, как цвет радужной оболочки, размер и количество кровеносных сосудов, могут быть скорректированы пациентом по мере необходимости.[7]

Сама команда во главе с Томом Фриппом (TomFripp) [8] утверждает, что создание имплантатов из силиконового материала — очень умное решение: «…если вещество подходит для производства в формах, оно также подходит для 3D-печати».

Кости:

Имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, такие как челюсть, существуют уже много лет, но небольшая группа учёных проводит эксперимент, целью которого является печать полных костей. Например, учёный Кевин Шейкшефф (Kevin M. Shakesheff) из Ноттингемского университета (University of Nottingham) изобрёл биопринтер, который делает матрицы из полимолочной кислоты и желатинового альгината, которые затем покрываются стволовыми клетками. [9]

Сам Кевин Шейкшефф, планируя скорейшее лечение костных имплантатов, утверждает, что в составе нет инородных для нашего организма элементов – только привычные углерод, азот и кислород, а по прочности и другим механическим свойствам полученное вещество не отличается от обычных кость или хрящ. [10]

Кровеносные сосуды и клетки:

Немецкий учёный, профессор доктор Гюнтер Товар (Günter Tovar), глава Института межфазной инженерии и биотехнологии Фраунгофера (Fraunhofer Institute), работает над планом под названием BioRap. Его задача — использовать 3D-принтер для печати кровеносных сосудов с помощью композиции искусственных полимеров и биомолекул. Распечатанные системы крови тестируются на животных — они еще не готовы к введению в организм человека. В конце концов, однако, они сделают возможным пересадку печатных органов.

По словам доктора Гюнтера Товара: «...эта технология может быть использована для самых разных целей. Например, можно будет создавать искусственные органы на основе замкнутой системы...» [11]

Биопечать не годилась бы для создания органов, потому что новые клетки-имплантаты не смогли бы подвергнуться дифференцировке и детерминации, а значит, не смогли бы выполнять изначально предназначенный природой процесс. Для создания органов, таких как печень, лучше подходит процесс культивирования тканей — выращивание новых клеток из стволовых клеток на питательной среде. Процесс выращивания можно рассматривать как аналог 3D-печати.

В заключении нашего исследования мы хотели бы уточнить в чём же преимущества 3D-печати и почему использование этих инноваций так актуально?

  1. На долю полимера приходится всего 10%, но этого достаточно, чтобы наделить протезы высокой степенью гибкости - кости, имплантаты из представленного материала можно растянуть на 30-60% своей длины без риска разрушения состав.
  2. Ещё одним несомненным достоинством материала, который высоко ценится в медицине, является его высокая пористость: половину объёма «искусственной кости» составляют микропустоты. Клетки организма попадают в эти пустоты и регенерируют: со временем в искусственных костях разрастаются кровеносные сосуды, появляется естественная костная ткань. На следующем этапе регенерации поликапролактон расщепляется на воду, угольную кислоту и каприновую кислоту, и внутри имплантата остаются только клетки тела и минеральная часть.
  3. Из второго пункта вытекает приятное следствие - биосовместимость материала с костными тканями организма человека, животных. На данный момент эксперименты проводились только на животных, и время наблюдения за реакцией организма исчисляется всего неделями, но прогнозы весьма многообещающие - организм не просто принимает материал, а быстро "принимает его за его собственные», и имплантат, протез вскоре врастёт в клетки и кровеносные сосуды.
  4. Наконец, особого внимания заслуживает высокая скорость изготовления протезов. Если сегодня изготовление имплантата или протеза занимает от нескольких дней до нескольких месяцев, то 3D-принтер может выполнить ту же задачу за несколько часов. Надо ли говорить, какие глобальные перспективы это открывает для врачей и их пациентов.

Также мы хотели  бы подчеркнуть, что создание имплантатов приобрело популярность не только за рубежом, но и используется в России. Имплантационные технологии активно развиваются в Санкт-Петербурге. Современные медицинские центры имеют в своём распоряжении новейшее оборудование и их учёные и сотрудники внимательно следят за развитием мировой медицины в этой области, что вселяет надежду: если изложенный материал оправдает себя на сто процентов и будет благосклонно принят корифеями мировой медицины, то очень скоро в медицинских центрах Санкт-Петербурга появится новая услуга – быстрое и безопасное протезирование, стоимость которого, предположительно, будет в разы ниже предлагаемых сегодня цен на стандартные протезы и процедуры имплантации. А пока, по мнению исследователей и учёных, нам остаётся только ждать и следить за новостями мировой медицины.

Сегодня 3D-биопринтинг находится на пике своего развития и может решить многие проблемы в изучении строения внутренних органов человека в процессе их функционирования. Это также значительно продвинет исследования в области искусственных имплантатов.

Исследование представляет неоспоримый интерес для тех, кто интересуется инновационными процессами в медицине, развитием и применением биотехнологий в медицине и повседневной жизни.

×

About the authors

Konstantin Dmitrievich Sevriukov

Voronezh State Medical Univercity named N.N. Burdenko

Email: kostya.sewrukow@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-1246-7509

First year student of the department of General Medicine 

Russian Federation, 10, Studencheskaya street, Voronezh, 394036, Russia

Andrei Evguenievitch Tsouverkalov

Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko

Author for correspondence.
Email: andrei.tsouverkalov@hotmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6408-2592
SPIN-code: 6216-5038

Senior Lecturer, Department of Foreign Languages

Russian Federation, 10, Studencheskaya street, Voronezh, 394036, Russia

Irina Vladimirovna Zubenko

Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko

Email: ira.zubenko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1986-7187
SPIN-code: 2866-0739

Senior Lecturer, Department of Foreign Languages

Russian Federation, 10, Studencheskaya street, Voronezh, 394036, Russia

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies