Как 3D-технологии применяются для создания донорских органов и медицинских препаратов

Фотография: makerbot.com

  Яна Хлюстова

Отдел науки «Газеты.Ru» рассказывает о том, как печать трехмерных объектов применяется в современной медицине, о преимуществах изготовленных таким образом таблеток, а также о том, как 3D-принтеры помогают спасать животных.

Технология изготовления физических трехмерных объектов с использованием цифровых данных — 3D-печать — была впервые разработана Чарльзом Хуллом в 1984 году. Технология была запатентована спустя два года и получила название «стереолитография». После получения патента Чарльз Хулл основал компанию 3D Systems и разработал первый промышленный станок для 3D-печати. Сейчас 3D-принтеры используют в своей работе цифровую модель того объекта, который необходимо создать, после чего печатают его, формируя детали слой за слоем из необходимого материала.

Технология 3D-печати применяется достаточно широко: например, в промышленности, для изготовления различных деталей станков и оборудования, в строительстве, в производстве деталей оружия и корпусов экспериментальной техники, такой как автомобили или мобильные телефоны. Особым потенциалом 3D-печать обладает в сфере медицины: специализированные компании создают

3D-принтеры для печати внутренних органов при помощи живых клеток, протезов, а также для производства лекарственных препаратов.

На завершившейся 6 мая в Нью-Йорке конференции TechCrunch Disrupt компания BioBots представила 3D-принтер, печатающий органы человеческого тела, используя в качестве материала живые клетки. Изготавливать полноценные донорские органы он еще не умеет, но образцы напечатанных тканей уже можно использовать во многих экспериментах, которые традиционно проводятся на лабораторных животных. Биопринтер BioBots, разработанный выпускниками Пенсильванского университета, выглядит как типичный 3D-принтер настольного формата и даже сопоставим с ним по цене, которая составляет около $5000. Внешне он также почти неотличим от обычного устройства, изготавливающего объемные предметы:

на стальной раме размещаются блок управления, печатающая головка, регулируемая подставка и набор картриджей. Главная особенность BioBots в том, что печатает он при помощи различных биоматериалов.

Образцы клеток берутся у человека, затем искусственно размножаются и используются как своеобразные 3D-чернила. В напечатанном органе или его части все клетки поначалу удерживаются на месте с помощью микроскопических опорных конструкций — сочетания гидрогеля и тончайших пластиковых нитей. Они выполняют роль «строительных лесов» и питательной среды. Когда клетки установят собственные взаимосвязи, начнут объединяться и взаимодействовать друг с другом при помощи настоящей соединительной ткани, эти инородные включения просто разрушатся кратковременным воздействием лампы ультрафиолетового излучения. Тем не менее в лабораторных условиях не удается воспроизвести клеточный иммунитет, управление многочисленными рецепторами и другие особенности живых систем — именно поэтому создание полноценных донорских органов при помощи трехмерной печати пока невозможно.

Более реалистичным применением 3D-печати в медицине является изготовление таблеток. Ученые полагают, что больше всего от новой технологии выиграют дети: трехмерная печать позволит создавать лекарственные препараты, в точности соблюдая необходимую дозировку. На данный момент это представляет собой значительную проблему. Стив Томлин, фармацевт из лондонской детской больницы Evelina London Children’s Hospital, заявляет: «Эта технология может произвести революцию в наших взглядах на лечение детей. Вес детей разного возраста может варьироваться от 0,5 до 100 кг, а это значит, что им необходимы совершенно разные дозы лекарств, поэтому невозможно выпустить подходящую всем таблетку. Вследствие этого мы прибегаем к препаратам в жидкой форме, хотя

все исследования показывают: четырехлетний ребенок с большей охотой примет таблетку, чем микстуру».

При создании таблетки 3D-принтер использует в качестве «чернил» лекарственное вещество и полимеры, которые смешиваются между собой и слой за слоем формируют таблетку. Помимо точности дозировки и самых разнообразных форм лекарственного препарата (например, для детей можно будет выпускать таблетки в форме животных соответствующего цвета) при помощи трехмерной печати станет возможным обеспечить лучшую степень усвояемости лекарства: International Journal of Pharmaceutics опубликовал статью, авторы которой печатали таблетки парацетамола в форме куба, пирамиды, шара, цилиндра и тора. В результате выяснилось, что быстрее всего растворяется таблетка-пирамида, а дольше всего — таблетка-цилиндр. Помимо прочего, исследователи уверяют: изготовление таблеток при помощи принтера никак не повлияло на их лечебные свойства.

Несмотря на то что трехмерной печатью лекарств заинтересовались и такие фармацевтические гиганты, как британская компания GlaxoSmithKline, до промышленного выпуска таблеток при помощи 3D-принтеров еще должно пройти 5–10 лет, полагают специалисты. Для этого прежде всего будет необходимо урегулировать вопрос о сертификации лекарств и защите пациентов от подделок. Так, Рикки Уайлдман, инженер из Ноттингемского университета, комментирует: «Никто не захочет, чтобы в частном доме находилась фабрика по производству несертифицированных лекарств. Возможно, необходимо будет сделать так, чтобы все владельцы 3D-принтеров получали на них специальную лицензию».

Костлявый прогресс

Может показаться, что использование трехмерной печати в медицине все еще остается лишь перспективой будущего: есть определенные успехи, но они далеки от применения в повседневной жизни. Однако это не так:

использование 3D-печати для изготовления частей протезов и замены человеческих костей уже абсолютно реально.

В прошлом году «Газета.Ru» рассказывала об уникальной операции, в ходе которой врачи заменили жительнице Голландии поврежденный болезнью череп на пластиковый имплантат, напечатанный на 3D-принтере. Основой для создания трехмерной модели новых костей послужили томографические снимки пациентки. Подобного рода протезы активно применяются и в ветеринарии: недавно ученые спасли жизнь морской черепахи, которая была ранена лодочным винтом и лишилась клюва. Почти мертвую черепаху доставили в турецкий Центр исследования, спасения и реабилитации морских черепах. При помощи медицинской 3D-типографии BTech Innovation для черепахи создали новый клюв из медицинского титана, благодаря чему животное удалось спасти.