Подобно тому, как трехмерные принтеры устанавливают слои материала для создания структур, биопринтеры "выдавливают" живые клетки, создавая ткани и органы. Долгосрочной мечтой этой концепции является то, что люди, которые входят в списки ожидания на донорство органов - почти 70 000 человек только в США, по данным некоммерческой объединенной сети по вопросам совместного использования органов - однажды могут получить возможность получить биодрукований орган.
Хотя способность создать функционирующее сердце или почку таким образом, вероятно, находится на годы в будущем, реалистичные, ближайшие цели включают биодрук простых структур, таких как костные трансплантаты. Однако живые ткани, напечатанные вне тела, все равно потребует имплантации, которая часто включает большие разрезы, которые увеличивают риск заражения и продолжают время восстановления.
Что, если бы врачи могли вместо этого напечатать клетки непосредственно внутри тела? Идея заключалась бы в использовании современных малоинвазивных хирургических методов для введения инструментов трехмерной печати пациентам через небольшие надрезы, а затем происходило создание новых тканей. Потенциальные программы для такого биодруку "In vivo" могут включать хирургические сетки для лечения грыж и участки яичников, чтобы помочь вернуть бесплодия.
Биодрукований гель на лабораторной посуде
Фото: Веньсян Чжао
Большая часть предыдущих исследований биодруку "In vivo" была сосредоточена на обработке кожи и других тканей во внешней части тела, поскольку необходимое оборудование, как правило, слишком большое для доступа к желудочно-кишечного тракта и других центрально расположенных органов без большой хирургической операции. Стремясь лечить поражения желудка менее инвазивные, ученые из Китая хотели разработать миниатюрный робот для биодруку, который мог бы попадать в организм человека с относительной легкостью. "Исследователи использовали существующие методики для создания ловких электронных устройств, таких как механические пчелы и работы, вдохновленные тараканами", - говорит старший автор исследования Тао Сю, биоинженер из Пекинского университета Цинхуа.
Полученный микроробот имеет ширину всего 30 миллиметров - менее половины ширины кредитной карты - и может сложиться к длине 43 миллиметра. Попадая внутрь тела пациента, оно раскрывается и становится длиной 59 миллиметров и может начать биодрук. "Команда создала разумные механизмы, которые делают компактную систему при входе в организм, но все еще разворачивается, чтобы обеспечить большую рабочую зону, прошла мимо жесткие препятствия при входе", - говорит Дэвид Хоелзл, инженер-механик Университета штата Огайо, не принимавший участие в исследовании.
В своих экспериментах исследователи из Китая установили микроробота на эндоскоп (длинную трубку, которую можно ввести через телесные отверстия) и успешно закрутили его через изогнутую трубу в прозрачную пластиковую модель желудка. Там они использовали его для печати гелей, загруженных человеческой оболочкой желудка и клетками мышц желудка (которые выращивали в культуре коммерческой лабораторией), на лабораторную посуду. Печатные клетки оставались жизнеспособными и стабильно размножались в течение 10 дней. "Это исследование является первой попыткой совместить микророботов и биодрук вместе", - говорит Сю.
Исследователи говорят, что основное лечение поражения желудка включает лекарства, которые могут действовать медленно и не всегда являются очень эффективными; эндоскопическая хирургия, которая может исправить лишь относительно небольшие раны, и спреи, которые доставляются эндоскопически, позволяющие остановить кровотечение, но мало помогают полностью вылечить большую травму. "Надежда на биодрук "In vivo" заключается в том, что это может в конце концов улучшить эти методы, исправляя поражения желудка живыми структурами, которые могут их восстановить", - говорит Сю.
"Будущие исследования могут уменьшить микроробота до 12 миллиметров в ширину и оснастить его камерами и другими датчиками, чтобы помочь ему выполнять более сложные операции", - добавляет Сю. Он и ведущий автор исследования Вэньсянь Чжао из Университета Цинхуа подробно рассказали о своих выводах этим летом в "Biofabrication".
Сю и его коллеги отмечают, что гели, которые они использовали как "чернила" для биодруку, были стабильными только тогда, когда были относительно прохладными. При нормальной температуре тела они были слишком редкими, чтобы хорошо формировать структуры. Кроме того, раствор хлорида кальция, который исследователи добавили для затвердевания гелей, может потенциально нанести вред человеческому организму. Но другой гель, недавно разработанный самостоятельно Хольцле и его коллегами, может помочь решить эти проблемы: он может держать форму при температуре тела и может затвердеть с помощью видимого света.
Одной из проблем биопринта то, как эффективно прикрепить напечатаны клетки к существующим мягких органов и тканей. Хольцле и его коллеги испытали потенциальное решение, пытаясь "залечить" проколы на похожих по тексту материалах, включая полоски куриной грудной сырья. Сначала насадка трехмерного принтера выдавила в прокол крохотную ручку био-чернил, создав якорь, который мог соединить пробитую ткань с биодрукованою структурой. Затем они медленно извлекли сопло, оттягивая нити от материала, с помощью которой можно было бы разместить больше клеток на внешней стороне ткани. "Эта работа просветляет", - говорит Сю. Использование этих методов, добавляет он, поможет дальнейшему развитию биодруку "In vivo".
Хольцле предполагает, что технология, скорее всего, никогда не станет способной печатать сложные органы. В свою очередь это может оказаться полезным путем увеличения стандартных операций с относительно скромными печатными структурами, которые могли бы выпускать лекарства для содействия заживлению или предотвращения инфекции. "Есть много возможностей для материалов тканевой инженерии..., которые пока не рассматриваются, - потому что никто не хотел бы открывать пациента для доставки материала", - говорит Хольцле.
Автор: Чарльз К. Чой
Читайте также: Новый искусственный глаз имитирует естественную кривую сетчатки
