Содержание
Введение………………………………………………………………………………………………..1
Введение в Введение в 3D-биопринтинг: принципы технологии, этапы
процесса биопечати………………………………………………………………………………..3
Компоненты (гидрогели и клеточный материал)
для 3D-биопечати ……………………………………………………………………………….5 «Орган.Авт»- российский биопринтер для работы в космосе…………………………………………………………………………………..7
Заключение……………………………………………………………………..9
Введение
Старение населения, онкологические и сердечно-сосудистые заболевания, а также высокий травматизм являются основными причинами острой или постепенно развивающейся структурной и функциональной неполноценности ряда жизненно важных органов и тканей. Внедрение реконструктивно-пластических подходов позволяет в ряде случаев восстановить функцию опорно-двигательной системы или утраченный объем молочной железы, но при дефектах большинства других органов восстановления структурно-функциональной целостности добиться не удается.
В отдельных случаях эту проблему удается решить трансплантацией донорских органов-печени, почек, легких. Однако разрыв между потребностью в органах и их доступностью огромен и увеличивается с каждым годом. Проблема нехватки донорских органов для пересадки заставляет искать биомедицинские решения, не требующие использования донорского материала. Технологии регенеративной медицины на сегодняшний день считаются наиболее перспективными. К ним относят генную и клеточную терапию и инжиниринг тканей.
В последнее время бурное развитие получило ещё одно направление регенеративной медицины — 3D-биопринтинг. Суть метода — сборка 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) трёхмерной модели. 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 объёмный живой объект — ткань или орган. 3D-печать имеет огромный потенциал в медицине. С помощью этих технологий можно воспроизводить высокоточные трехмерные модели человеческих органов, а также некоторые имплантаты.
Особый интерес у исследователей вызывает биопечать в условиях невесомости. Всё дело в том, что когда объекты печатаются на Земле, то ученые вынуждены учитывать влияние гравитации. При формировании биообъектов конструкция может «наклониться» под действием силы тяжести и целостность органа окажется нарушенной. А на орбите МКС сила земного притяжения минимальна. Таким образом, микрогравитация позволяет собирать различные биологические объекты идеальной формы, которая практически не доступна в земных условиях.
Технология 3D-биопринтинга в условиях микрогравитации пока находится в стадии разработки устройств и методологий создания тканевых эквивалентов. С этих позиций тема настоящего исследования является актуальной.
Введение в 3D-биопринтинг: принципы технологии, этапы процесса биопечати.
Трехмерная печать —это технология быстрого прототипирования и аддитивного производства, используемая для создания сложной архитектуры высокой точности посредством поэтапного процесса построения изделия согласно заданной цифровой модели. На сегодняшний день под термином трехмерная печать используют ряд различных технологий: послойное наплавление (FDM); стереолитография (SLA, DLP); метод послойного склеивания(CJP); многоструйное моделирование (MJM); селективное лазерное спекание (SLS); селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металлов.
Применение автоматизированного аддитивного процесса облегчает изготовление трехмерных изделий благодаря высокоточному контролю их архитектуры -внешней формы, внутренней геометрии пор и взаимосвязи высокой воспроизводимости и повторяемости. Ввиду этих особенностей технология трехмерной биопечати представляется крайне перспективным подходом в изготовлении трехмерных живых функциональных конструктов в интересах регенеративной медицины. Таким образом, трехмерная биопечать (3D-биопечать или 3D-биопринтинг) —это технология послойного производства трехмерных тканевых и органных конструктов согласно заданной цифровой модели с использованием живых клеток в качестве печатного материала.
В технологии 3D-биопечати разделяют следующие основные этапы:
1) этап «предподготовки» (pre-processing);
2) этап «производства» (processing);
3) этап «постпринтинга» (post-processing).
Этап «предподготовки» включает в себя трехмерное моделирование будущего объекта, выбор и культивирование клеточного материала, а также подбор материла для скаффолдов, пригодный для конкретного типа трехмерной биопечати.
Этап «производства». Трехмерную структуру формируемого конструкта производят путем послойного нанесения различных биоматериалов и живых клеток. Файлы трехмерных моделей непосредственно загружают в биопринтер или используют управляющую программу для биопечати в системе автоматизированного программирования.
Этап «пост-принтинга».Данный этап необходим для стабилизации структуры напечатанного биологического объекта и включает в себя
18«дозревание» последнего в биореакторах. Для контроля этого процесса в ряде случаев используют неинвазивный и недеструктивный его мониторниг, так как на этом этапе формируются такие базовые его характеристики, как механическая прочность, структурная целостность, а также биологические функциональные возможности.
Компоненты (гидрогели и клеточный материал) для 3D-биопечати .
Очевидно, что для биопечати определенных тканеинженерных конструктов необходим соответствующий выбор как клеточного материала, так и биоматериалов для создания 3D-подложек. Как правило, такие биоматериалы варьируют от мягких гидрогелей до жестких керамических скаффолдов. В тканевой инженерии скаффолды служат своеобразными биомиметическими структурами, имитирующими ВКМ (Прим. Внеклеточный матрикс (ВКМ) — многокомпонентная субстанция, в которую погружены все клетки нашего организма.). В процессе изготовления твердых скаффолдов методом трехмерной биопечати необходимо учитывать такие факторы, как пористость материалов, взаимосвязь и размеры пор, внутренняя геометрия подложки, скорость биодеградации, механические свойства и биосовместимость. Из твердых биоматериалов, таких как керамика, гидроксиапатиты и термопластичные полимеры можно изготавливать механически прочные и, соответственно, долго сохраняющиеся конструкции. Однако для использования таких материалов обычно требуются высокие температуры или токсичные растворители, поэтому они не подходят для печати с одновременным нанесением клеточного материала. Клеточный материал, как правило, высевают на напечатанные конструкции после изготовления, избегая неблагоприятных для клеток условий. Мягкие биоматериалы на основе гидрогелей лишены этих недостатков, что обеспечивает наличие благоприятной среды для печати клетками. В то же время при изготовлении мягких скаффолдов на основе гидрогелей должны учитываться их реологические свойства, способность к набуханию, коэффициент поверхностного натяжения и динамика полимеризации. Гидрогели являются наиболее изученными материалами в аспекте использования в 3D-биопринтинге ввиду их цитосовместимости invitro, отсутствия реакции отторжения invivo, а также подходящих механических свойств. Используемые гидрогели делятся на натуральные и синтетические полимеры с разными типами полимеризации.
В литературе последних лет отмечено создание гидрогелей на основе белков/пептидов, в основном шёлкоподобных, рекомбинантных коллагеновых/коллагеноподобных, эластиноподобных, резилиноподобных (резилин -эластомерный белок, имеющийся у многих насекомых), а также гибридных на их основе. Учитывая наличие целого спектра гидрогелей, подбирать подходящий под определенный метод трехмерной биопечати с заданными физическими характеристиками (вязкостью, пластичностью, скоростью полимеризации) представляется реальным.
«Орган.Авт»- российский биопринтер для работы в космосе
В 2017 году учёные лаборатории 3D Bioprinting Solutions, основанной при участии компании «Инвитро», разработали биопринтер «Орган.Авт» для создания живых микроорганов и тканей в условиях космической микрогравитации. В 2018 году с помощью биопринтера «Орган.Авт» уже были проведены первые в мире эксперименты по 3D-биопечати на Международной Космической Станции (МКС). Это стало началом целой серии космических экспериментов, включая биопечать хрящевой ткани человека, щитовидной железы мыши, костной ткани, образцов мяса, а также выращиванию белковых кристаллов, изучению образования антибиотикорезистентности с помощью созданных в условиях микрогравитации бактериальных биоплёнок. Отличительными характеристиками этого уникального прибора являются его лёгкий вес и компактность, что является особо ценными характеристиками для космической техники. На Орган.Авте космонавты выполнили и продолжают проводить прорывные новаторские эксперименты по биопечати. Благодаря созданию и запуску в космос этого биопринтера 3D Bioprinting Solutions получила преимущество первопроходца и завоевала неоспоримый авторитет в научной среде — никто и никогда до этого не проводил экспериментов по биопечати в невесомости. Что немаловажно, доставка первого в мире космического биопринтера на МКС позволила закрепить страновой приоритет в этой области за Россией.
В результате эксперимента в декабре 2018 г. на МКС впервые были напечатаны щитовидная железа грызуна и хрящ человека. В будущем, эти знания помогут при подготовке космонавтов к долгим космическим перелётам, а случае повреждения хрящевой ткани станет возможно провести необходимую биопечать и заменить повреждённый участок хряща прямо на борту космического корабля. Врачи-космонавты будут обучаться навыками биофабрикации в процессе подготовки к полётам, чтобы иметь возможность провести нужные медицинские манипуляции во время экспедиций. Это намного облегчит длительные космические перелёты — в случае травмы не будет необходимости возвращать космонавтов на Землю.
Эксперименты 3D Bioprinting Solutions с биофабрикацией щитовидной железой мыши подтвердили предположение, что в будущем будет не столь важна форма органа — гораздо важнее воссоздать его функцию. В экспериментах на Земле и в космосе напечатанная щитовидная железа мыши отличалась по форме от стандартной «бабочки», но при этом могла функционировать — вырабатывать нужный уровень гормона тироксина. Возникает закономерный вопрос: почему учёным так интересна биопечать на МКС? Всё дело в том, что когда мы печатаем какие-либо объекты на Земле, то вынуждены учитывать влияние гравитации. При формировании биообъектов конструкция может «наклониться» под действием силы тяжести и целостность органа окажется нарушенной. А на орбите МКС сила земного притяжения минимальна. Таким образом, в микрогравитация позволяет собирать различные биологические объекты идеальной формы, которая практически не доступна в земных условиях.
Заключение
Печать на борту МКС тканевых и органных конструктов, сверхчувствительных к космической радиации, позволила учёным лучше понять механизмы защиты от неблагоприятных условий дальнего космоса. Важно, что планируется создавать на орбите трёхмерные конструкты именно человека для последующей оценки воздействия на них космического излучения. В перспективе технология трёхмерной магнитной биопечати может быть использована для коррекции повреждений тканей и органов космонавтов при длительных космических полётах. На Земле такая технология может быть применена для более быстрой биопечати человеческих тканей и органов.
