Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Полное искусственное сердце разработано в ETH Zurich

В печати органов используются методы, аналогичные традиционной 3D-печати, когда компьютерная модель загружается в принтер, который накладывает последовательные слои пластика или воска, пока не будет создан 3D-объект. [1] В случае печати органов материал, используемый в принтере, представляет собой биосовместимый пластик. [1] Биосовместимый пластик образует каркас, который действует как скелет для печатаемого органа . [1] По мере укладки пластика он также засевается человеческими клетками из органа пациента, для которого печатается печать. [1]После печати орган переносится в инкубационную камеру, чтобы дать клеткам время для роста. [1] По прошествии достаточного времени орган имплантируется пациенту. [1]

3D-биопринтер CELLINK

Конечная цель печати органов - создать органы, которые могут полностью интегрироваться в человеческое тело, как если бы они были там все время. [1] Успешная печать органов может повлиять на несколько отраслей. Они включают трансплантацию органов , [2] фармацевтические исследования, [3] и подготовку врачей и хирургов . [4]

История [ править ]

Область печати органов возникла в результате исследований в области стереолитографии , основы практики 3D-печати, которая была изобретена в 1984 году. [5] В эту раннюю эру 3D-печати было невозможно создавать долговечные объекты, потому что материалы которые использовались, были не очень прочными. [6] Таким образом, в первые дни 3D-печать использовалась просто как способ моделирования потенциальных конечных продуктов, которые в конечном итоге будут изготавливаться из различных материалов с использованием более традиционных технологий. [5] В начале 1990-х годов были разработаны нанокомпозиты, которые позволили трехмерным печатным объектам быть более прочными, что позволило использовать трехмерные печатные объекты не только для создания моделей. [6]Примерно в это же время специалисты в области медицины начали рассматривать 3D-печать как способ создания искусственных органов. [5] К концу 1990-х годов исследователи-медики искали биоматериалы, которые можно было бы использовать в 3D-печати. [5]

Концепция биопечати была впервые продемонстрирована в 1988 году. [7] В это время исследователь использовал модифицированный струйный принтер HP для нанесения клеток с помощью технологии цитоописания. [7] Прогресс продолжился в 1999 году, когда первый искусственный орган, сделанный с помощью биопечати, был напечатан группой ученых под руководством доктора Энтони Атала из Института регенеративной медицины Уэйк Форест . [8] Ученые из Wake Forest напечатали искусственный каркас для человеческого мочевого пузыря, а затем засеяли каркас клетками своего пациента.[5] Используя этот метод, они смогли вырастить функционирующий орган, и через десять лет после имплантации у пациента не было серьезных осложнений. [9]

После мочевого пузыря в Wake Forest были предприняты шаги в направлении печати других органов . В 2002 году была напечатана миниатюрная полнофункциональная почка . [6] В 2003 году доктор Томас Боланд из Университета Клемсона запатентовал использование струйной печати для клеток. [10] В этом процессе использовалась модифицированная система пятен для осаждения ячеек в организованные трехмерные матрицы, размещенные на подложке . [10] Этот принтер позволил провести обширные исследования биопечати и подходящих биоматериалов . [9]Например, после этих первоначальных открытий, 3D-печать биологических структур получила дальнейшее развитие, чтобы охватить производство тканей и структур органов, а не клеточных матриц . [11] Кроме того, было исследовано больше методов печати, таких как экструзионная биопечать , которые впоследствии были внедрены в качестве средств производства . [11]

В 2004 году область биопечати кардинально изменилась с появлением еще одного нового биопринтера . [12] В этом новом принтере можно было использовать живые клетки человека без предварительного создания искусственного каркаса. [12] В 2009 году Organovo использовала эту новую технологию для создания первого коммерчески доступного биопринтера . [12] Вскоре после этого биопринтер Organovo был использован для создания биоразлагаемого кровеносного сосуда , первого в своем роде, без клеточного каркаса. [12]

За последние десять лет были проведены дальнейшие исследования по созданию других органов , таких как печень и сердечные клапаны , а также тканей , таких как кровеносная сеть, с помощью 3D-печати . [12] В 2019 году ученые в Израиле совершили крупный прорыв, когда они смогли напечатать сердце размером с кролика с сетью кровеносных сосудов, которые были способны сокращаться, как естественные кровеносные сосуды. [13] Напечатанное сердце имело правильную анатомическую структуру и функцию по сравнению с настоящими сердцами . [13]Этот прорыв представлял реальную возможность печати полностью функционирующих человеческих органов . [12] Фактически, ученые из Варшавского фонда исследований и развития науки в Польше работали над созданием полностью искусственной поджелудочной железы с использованием технологии биопечати . [12] На сегодняшний день эти ученые смогли разработать действующий прототип. [12] Это развивающаяся область, и многие исследования все еще проводятся.

Методы 3D-печати [ править ]

3D-печать для изготовления искусственных органов была основной темой исследований в биологической инженерии . Поскольку быстрые производственные методы, связанные с 3D-печатью, становятся все более эффективными, их применимость в синтезе искусственных органов становится все более очевидной. Некоторые из основных преимуществ 3D-печати заключаются в ее способности массового производства строительных лесов , а также в высокой степени анатомической точности изделий из строительных лесов . Это позволяет создавать конструкции, которые более эффективно напоминают микроструктуру естественного органа илиструктура ткани . [14] Печать органов с использованием 3D-печати может выполняться с использованием различных методов, каждая из которых дает определенные преимущества, которые могут быть подходящими для определенных типов изготовления органов.

Жертвенная запись в функциональную ткань (SWIFT) [ править ]

Жертвенная запись в функциональную ткань (SWIFT) - это метод печати органов, при котором живые клетки плотно упакованы, чтобы имитировать плотность, имеющуюся в человеческом теле. Во время упаковки вырезаются туннели, имитирующие кровеносные сосуды, и через эти туннели доставляются кислород и необходимые питательные вещества. Этот метод объединяет другие методы, которые только упаковывают клетки или создают сосудистую сеть. SWIFT сочетает в себе и то, и другое и является усовершенствованием, которое приближает исследователей к созданию функциональных искусственных органов. [15]

Стереолитографическая 3D-биопечать [ править ]

Этот метод печати органов использует пространственно управляемый свет или лазер для создания двухмерного рисунка, который накладывается путем селективной фотополимеризации в резервуаре биочернилы. Затем трехмерная структура может быть построена слоями, используя двухмерный узор. После этого биочерку удаляют из конечного продукта. Биопечать SLA позволяет создавать сложные формы и внутренние структуры. Разрешающая способность этого метода чрезвычайно высока, а единственным недостатком является нехватка биосовместимых смол. [16]

Капельная биопечать (струйная) [ править ]

Биопечать на основе капель позволяет при разработке клеток использовать капли определенного материала, который часто комбинируют с линией клеток. Сами клетки также могут быть нанесены таким образом с полимером или без него. При печати полимерных каркасов с использованием этих методов каждая капля начинает полимеризоваться при контакте с поверхностью подложки и сливаться в более крупную структуру, когда капли начинают сливаться. Полимеризация может происходить различными способами в зависимости от используемого полимера. Например, полимеризация альгината запускается ионами кальция в субстрате, которые диффундируют в жидкую биочерку и позволяют образовывать прочный гель. Капельная биопечать широко используется из-за ее высокой производительности. Однако это может сделать его менее подходящим для более сложных структур органов. [17]

Экструзионная биопечать [ править ]

Экструзионная биопечать включает последовательное определение конкретной печатной ткани и линии клеток с помощью экструдера, своего рода переносной печатающей головки. Это, как правило, более контролируемое и более бережное обращение с тканями или клетками, а также позволяет использовать более заметные плотности клеток при разработке трехмерных структур тканей или органов. В любом случае эти преимущества ограничиваются более медленными скоростями печати, связанными с этой процедурой. Экструзионная биопечать часто сочетается с УФ-светом, который фотополимеризует отпечатанную ткань, чтобы создать более устойчивую структуру с координатами. [11]

Моделирование наплавленного осаждения [ править ]

Моделирование наплавлением (FDM) является более распространенным и недорогим по сравнению с селективным лазерным спеканием . В этом принтере используется печатающая головка, аналогичная по структуре струйному принтеру, однако чернила не используются. Пластиковые шарики нагреваются до высокой температуры и высвобождаются из печатающей головки по мере ее движения, создавая объект тонкими слоями. [3] В принтерах FDM можно использовать различные пластмассы. Кроме того, большинство деталей, напечатанных FDM, обычно состоят из тех же термопластов , которые используются в традиционных технологиях литья под давлением или механической обработки. [3] Благодаря этому эти детали обладают аналогичными характеристиками прочности, механических свойств и стабильности. [3]Контроль точности позволяет обеспечить постоянное количество высвобождения и осаждение в определенном месте для каждого слоя, влияющего на форму. [3] Когда нагретый пластик откладывается от печатающей головки, он сплавляется или связывается с нижележащими слоями. По мере охлаждения каждого слоя они затвердевают и постепенно приобретают твердую форму, предназначенную для создания, по мере того, как в структуру добавляется больше слоев.

Селективное лазерное спекание [ править ]

Селективное лазерное спекание (SLS) использует порошковый материал в качестве основы для печати новых объектов. SLS можно использовать для создания металлических, пластиковых и керамических предметов. В этом методе в качестве источника энергии для спекания порошкового материала используется лазер, управляемый компьютером. [18] Лазер отслеживает поперечное сечение формы желаемого объекта в порошке, который сплавляет его в твердую форму. [18] Затем наносится новый слой порошка, и процесс повторяется. Создавая каждый слой с каждым новым нанесением порошка, один за другим, чтобы сформировать целостный объект. Одним из преимуществ печати SLS является то, что она требует очень небольшого количества дополнительных инструментов, например, шлифовки после печати объекта. [18]Последние достижения в области печати органов с использованием SLS включают трехмерные конструкции черепно-лицевых имплантатов, а также каркасы для инженерии сердечной ткани. [18]

Материалы для печати [ править ]

Печатные материалы должны соответствовать широкому спектру критериев, одним из которых является биосовместимость . Результирующие каркасы, образованные материалами для 3D-печати, должны быть физически и химически подходящими для пролиферации клеток . Биоразлагаемость - еще один важный фактор, который гарантирует, что искусственно сформированная структура может быть разрушена после успешной трансплантации и заменена полностью естественной клеточной структурой. Из-за характера 3D-печати используемые материалы должны быть настраиваемыми и адаптируемыми, подходящими для широкого спектра типов ячеек и структурных конформаций. [19]

Природные полимеры [ править ]

Материалы для 3D-печати обычно состоят из полимеров альгината или фибрина , которые интегрированы с молекулами клеточной адгезии , которые поддерживают физическое прикрепление клеток. Такие полимеры специально разработаны для поддержания структурной стабильности и восприимчивости к клеточной интеграции. Термин «биочернила» использовался как широкая классификация материалов, совместимых с трехмерной биопечатью . [20] Альгинаты гидрогеля стали одним из наиболее часто используемых материалов в исследованиях печати органов, поскольку они легко настраиваются и могут быть настроены для имитации определенных механических и биологических свойств, характерных для естественных тканей. Способность гидрогелей адаптироваться к конкретным потребностям позволяет использовать их в качестве адаптируемого материала каркаса , который подходит для различных структур тканей или органов и физиологических условий . [21] Основной проблемой при использовании альгината является его стабильность и медленная деградация, что затрудняет разрушение искусственного гелевого каркаса и его замену собственным внеклеточным матриксом имплантированных клеток . [22] Альгинатный гидрогель, который подходит для экструзионной печати, также часто менее структурно и механически прочен; однако эта проблема может быть решена путем включения других биополимеров , таких как наноцеллюлоза , для обеспечения большей стабильности. Свойства альгинатной или смешанной полимерной биочернилы настраиваются и могут быть изменены для различных применений и типов органов. [22]

Другие природные полимеры , которые использовались для печати тканей и трехмерных органов , включают хитозан , гидроксиапатит (ГА) , коллаген и желатин . Желатин представляет собой термочувствительный полимер со свойствами, демонстрирующими превосходную растворимость при истирании , биоразлагаемость , биосовместимость , а также низкое иммунологическое отторжение. [23] Эти качества являются выгодными и приводят к высокому признанию 3D-биопринтированного органа при имплантации in vivo. [23]

Синтетические полимеры [ править ]

Синтетические полимеры созданы человеком в результате химических реакций мономеров . Их механические свойства благоприятны тем, что их молекулярный вес можно регулировать от низкого до высокого в зависимости от различных требований. [23] Однако отсутствие функциональных групп и структурная сложность ограничили их использование в печати органов. Современные синтетические полимеры с превосходными возможностями 3D-печати и совместимостью с тканями in vivo включают полиэтиленгликоль (PEG) , поли (молочно-гликолевую кислоту) (PLGA) и полиуретан (PU) . ПЭГ - это биосовместимый неиммуногенный синтетический полиэфир.с настраиваемыми механическими свойствами для использования в 3D-биопечати . [23] Хотя ПЭГ использовался в различных приложениях для 3D-печати , отсутствие клеточно-адгезионных доменов ограничивает дальнейшее использование при печати органов. PLGA , синтетический сополимер , широко известен у живых существ, таких как животные, люди, растения и микроорганизмы . PLGA используется в сочетании с другими полимерами для создания различных систем материалов, включая PLGA-желатин, PLGA-коллаген, все из которых улучшают механические свойства материала, биосовместимые при размещенииin vivo и обладают регулируемой способностью к биоразложению . [23] PLGA чаще всего используется в печатных конструкциях для восстановления костей , печени и других крупных органов. Наконец, ПУ уникален тем, что его можно разделить на две группы: биоразлагаемые и небиоразлагаемые. [23] Он использовался в области биопечати из-за его превосходных механических и биоинертных свойств. Применение ПУ могло бы быть неодушевленным искусственным сердцем , однако, используя существующие 3D-биопринтеры, этот полимер не может быть напечатан. [23]Был создан новый эластомерный полиуретан, состоящий из мономеров PEG и поликапролактона (PCL) . [23] Этот новый материал демонстрирует превосходную биосовместимость , способность к биологическому разложению , пригодность для биопечати и биостойкость для использования в печати и производстве сложных биоискусственных органов. [23] Из-за высокой конструкции сосудов и нейронных сетей этот материал может применяться для печати на органах множеством сложных способов, таких как мозг , сердце , легкие и почки .

Природно-синтетические гибридные полимеры [ править ]

Природно-синтетические гибридные полимеры основаны на синергическом эффекте синтетических и биополимерных компонентов. [23] Желатин-метакрилоил (GelMA) стал популярным биоматериалом в области биопечати. GelMA показала, что имеет жизнеспособный потенциал в качестве материала биочернила благодаря своей подходящей биосовместимости и легко настраиваемым психохимическим свойствам. [23] Гиалуроновая кислота (ГК) - ПЭГ - еще один природно-синтетический гибридный полимер , который оказался очень успешным при биопечати. ГК в сочетании с синтетическими полимерами помогает получить более стабильные структуры с высоким содержанием ячеек.жизнеспособность и ограниченная потеря механических свойств после печати. [23] Недавнее применение HA - PEG в bioprinting является создание искусственной печени . Наконец, в печати органов был реализован ряд гибридных полимеров биоразлагаемого полиуретана (ПУ) и желатина с регулируемыми механическими свойствами и эффективными скоростями разложения. [23] Этот гибрид имеет возможность печатать сложные конструкции, такие как конструкция в форме носа .

Все описанные выше полимеры потенциально могут быть изготовлены в имплантируемых биоискусственных органах для целей, включая, помимо прочего, индивидуальное восстановление органов, скрининг лекарств , а также анализ метаболических моделей.

Источники ячеек [ править ]

Создание полноценного органа часто требует включения множества различных типов клеток , расположенных определенным образом и структурированным образом. Одним из преимуществ 3D-печатных органов по сравнению с традиционными трансплантатами является возможность использовать клетки, полученные от пациента, для создания нового органа. Это значительно снижает вероятность отторжения трансплантата и может устранить необходимость в иммунодепрессантах после трансплантации , что снизит риски для здоровья при трансплантации . Однако, поскольку не всегда удается собрать все необходимые типы клеток , может потребоваться сборвзрослые стволовые клетки или индуцируют плюрипотентность в собранной ткани. [21] Это связано с ресурсоемким ростом и дифференцировкой клеток и сопряжено со своим собственным набором потенциальных рисков для здоровья, поскольку пролиферация клеток в печатном органе происходит вне тела и требует внешнего применения факторов роста. Однако способность некоторых тканей к самоорганизации в дифференцированные структуры может обеспечить способ одновременно конструировать ткани и формировать отдельные клеточные популяции, повышая эффективность и функциональность печати органов. [24]

Типы принтеров и процессов [ править ]

Типы принтеров, используемых для печати органов, включают: [25]

  • Струйный принтер
  • Мульти-насадка
  • Гибридный принтер
  • Электропрядение
  • Выпадение по запросу

Эти принтеры используются в методах, описанных ранее. Для каждого принтера требуются разные материалы, и у него есть свои преимущества и ограничения.

Приложения [ править ]

Пожертвование органов [ править ]

В настоящее время единственный метод лечения страдающих органной недостаточностью - дождаться трансплантации от живого или недавно умершего донора. [26] В одних только Соединенных Штатах более 100 000 пациентов в списке для трансплантации органов ждут, когда станут доступны донорские органы . [27] Пациенты из списка доноров могут ждать дни, недели, месяцы или даже годы, пока подходящий орган станет доступным. Среднее время ожидания для некоторых распространенных трансплантаций органов составляет: четыре месяца для сердца или легких , одиннадцать месяцев для печени , два года для поджелудочной железы., и пять лет на почку . [28] Это значительный рост по сравнению с 1990-ми годами, когда пациент мог ждать сердца всего пять недель . [26] Такое длительное время ожидания связано с нехваткой органов, а также с необходимостью найти орган , подходящий для реципиента. [28] орган считается подходящим для пациента на основе типа крови, сопоставимый размер тела донора и реципиента, тяжесть состояния здоровья пациента, продолжительность ожидания органа, доступность пациента (то есть возможность связаться с пациентом, если у пациента есть инфекция), близость от пациента к донору и время жизнеспособности донорского органа. [29] В Соединенных Штатах 20 человек умирают каждый день в ожидании органов . [27] 3D-печать органов может устранить обе эти проблемы; если бы органы можно было печатать, как только возникнет необходимость, не было бы недостатка. Кроме того, засев напечатанных органов собственными клетками пациента избавит от необходимости проверять донора.органы на совместимость.

Врач и хирургическая подготовка [ править ]

Использование печати органов, включая 3D-печать тканей и органов на кристаллах

Хирургическое использование 3D-печати эволюционировало от печати хирургических инструментов до разработки индивидуальных технологий для полной замены суставов, зубных имплантатов и слуховых аппаратов . [30] В области печати органов могут применяться приложения для пациентов и хирургов. Например, печатные органы использовались для моделирования структуры и повреждений, чтобы лучше понять анатомию и обсудить режим лечения с пациентами. [31] В этих случаях функциональность органа не требуется и используется для подтверждения концепции. Эти модельные органы позволяют улучшить хирургические методы, обучить неопытных хирургов и перейти к лечению, ориентированному на конкретного пациента. [31]  

Фармацевтические исследования [ править ]

Технология 3D-печати органов позволяет изготавливать изделия высокой степени сложности с высокой воспроизводимостью, быстро и экономично. [3] 3D-печать использовалась в фармацевтических исследованиях и производстве, обеспечивая преобразующую систему, позволяющую точно контролировать размер и дозу капель, персонализировать медицину и создавать сложные профили высвобождения лекарств. [3] Эта технология требует имплантируемых устройств для доставки лекарств , в которых лекарство вводится в орган, напечатанный на 3D-принтере, и высвобождается один раз in vivo . [3] Кроме того, печать органов использовалась как преобразующий инструмент для in vitroтестирование. [3] Печатный орган может быть использован для открытия и исследования дозировки факторов высвобождения лекарств. [3]

Орган на чипе [ править ]

Технология печати органов также может быть объединена с микрофлюидной технологией для создания органов на чипах . [32] Эти органы на чипе могут быть использованы для моделирования заболеваний, помощи в открытии лекарств и проведения высокопроизводительных анализов . [32] Орган на чипе работает, предоставляя трехмерную модель, которая имитирует естественный внеклеточный матрикс , позволяя им отображать реалистичные реакции на лекарства. [32] До сих пор исследования были сосредоточены на разработке «печень на чипе» и «сердце на чипе», но существует потенциал для разработки модели «целое тело на чипе». [32]

Объединив органы, напечатанные на 3D-принтере, исследователи могут создать тело на кристалле. Модель «сердце на чипе» уже использовалась для исследования того, как некоторые препараты с отрицательными побочными эффектами, основанными на частоте сердечных сокращений, такие как химиотерапевтический препарат доксорубицин, могут влиять на людей на индивидуальной основе. [33] Новая платформа «тело на чипе» включает печень, сердце, легкие и киндей-на-чипе. Органы на кристалле печатаются или конструируются отдельно, а затем объединяются вместе. Используя эту платформу, исследования токсичности лекарств выполняются с высокой пропускной способностью, что снижает стоимость и повышает эффективность разработки новых лекарств. [34]

Правовая информация и безопасность [ править ]

Методы 3D-печати использовались в различных отраслях для достижения общей цели изготовления продукта. С другой стороны, печать органов - это новая отрасль, в которой биологические компоненты используются для разработки терапевтических приложений для трансплантации органов. В связи с повышенным интересом к этой области, необходимо установить нормы регулирования и этические аспекты. [35] В частности, при переходе от доклинического к клиническому для этого метода лечения могут возникнуть юридические сложности. [36]

Регламент [ править ]

Текущее регулирование соответствия органов сосредоточено на национальном реестре доноров органов после того, как в 1984 году был принят Национальный закон о трансплантации органов . [1] Этот закон был принят для обеспечения равного и честного распределения, хотя он оказался недостаточным из-за большой спрос на пересадку органов. Печать органов может помочь уменьшить дисбаланс между спросом и предложением за счет печати замененных органов для конкретных пациентов; все это невозможно без регулирования. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) отвечает за регулирование биопрепаратов, устройств и лекарств в США. [35] [36]Из-за сложности этого терапевтического подхода расположение органов на спектре не определено. Исследования охарактеризовали печатные органы как многофункциональные комбинированные продукты, что означает, что они находятся между секторами биопрепаратов и устройств FDA; это приводит к более обширным процессам рассмотрения и утверждения. [35] [36] [37] В 2016 году FDA выпустило проект руководства по техническим соображениям для устройств аддитивного производства и в настоящее время оценивает новые заявки на 3D-печатные устройства. [38] Однако сама технология недостаточно развита, чтобы FDA могло напрямую внедрить ее. [37]В настоящее время 3D-принтеры, а не готовые продукты, являются основным направлением того, что оценивается на предмет безопасности и эффективности, чтобы стандартизировать технологию для персонализированных подходов к лечению. С глобальной точки зрения, только органы регулирования медицинских устройств Южной Кореи и Японии предоставили руководящие принципы, применимые к 3D-биопечати. [35]

Есть также проблемы с интеллектуальной собственностью и правом собственности. Они могут иметь большое влияние на более серьезные проблемы, такие как пиратство, контроль качества производства и несанкционированное использование на черном рынке. [36] [37] Эти соображения больше сосредоточены на материалах и производственных процессах; они более подробно описаны в подразделе «Правовые аспекты 3D-печати» .

Этические соображения [ править ]

С этической точки зрения существуют опасения относительно доступности технологий печати органов, источников клеток и ожиданий общественности. Хотя этот подход может быть менее дорогостоящим, чем традиционная хирургическая трансплантация, существует скептицизм в отношении социальной доступности этих 3D-печатных органов. Современные исследования показали, что существует потенциальное социальное расслоение для более богатого населения, имеющего доступ к этой терапии, в то время как население в целом остается в реестре органов. [39] Также необходимо учитывать упомянутые ранее источники клеток. Печать органов может уменьшить или исключить исследования и испытания на животных, но также поднимает вопросы об этических последствиях аутологичных и аллогенных источников. [39] [40]Более конкретно, исследования начали изучать будущие риски для людей, проходящих экспериментальные испытания. [35] Как правило, это приложение может вызвать социальные, культурные и религиозные различия, что затрудняет глобальную интеграцию и регулирование. [36] В целом этические аспекты печати органов аналогичны общим этическим принципам биопечати , но экстраполируются от ткани к органу. В целом печать органов имеет краткосрочные и долгосрочные правовые и этические последствия, которые необходимо учитывать, прежде чем станет возможным массовое производство.

Воздействие [ править ]

Печать органов для медицинских целей все еще находится на стадии разработки. Таким образом, долгосрочные последствия печати органов еще предстоит определить. Исследователи надеются, что печать органов может уменьшить нехватку органов для трансплантации. [41] В настоящее время не хватает доступных органов, включая печень, почки и легкие. [42] Длительное время ожидания получения спасательных органов - одна из основных причин смерти в Соединенных Штатах, причем почти треть смертей ежегодно в Соединенных Штатах Америки можно отсрочить или предотвратить с помощью трансплантации органов. [42] В настоящее время единственный орган, который был подвергнут трехмерной биопечати и успешно трансплантирован человеку, - это мочевой пузырь. [43] Мочевой пузырь был сформирован из ткани мочевого пузыря хозяина.[43] Исследователи предположили, что потенциальное положительное влияние 3D-печатных органов - это способность настраивать органы для получателя. [3] Разработки, позволяющие использовать клетки-хозяева реципиента для синтеза органов, снижают риск отторжения органа. [42]

Возможность печатать органы снизила спрос на испытания на животных. [44] Испытания на животных используются для определения безопасности продуктов, от косметики до медицинских устройств. Косметические компании уже используют модели тканей меньшего размера для тестирования новых продуктов на коже. [44] Возможность трехмерной печати кожи снижает потребность в испытаниях макияжа на животных. [42] Кроме того, возможность печатать модели человеческих органов для проверки безопасности и эффективности новых лекарств еще больше снижает необходимость испытаний на животных. [44] Исследователи из Гарвардского университета пришли к выводу, что безопасность лекарств может быть точно проверена на небольших тканевых моделях легких. [44]Компания Organovo, которая разработала один из первых коммерческих биопринтеров в 2009 году, показала, что биоразлагаемые трехмерные модели тканей могут использоваться для исследования и разработки новых лекарств, в том числе для лечения рака. [45] Дополнительное влияние печати органов включает возможность быстрого создания моделей тканей, что увеличивает производительность. [3]

Проблемы [ править ]

Одна из задач 3D-печати органов - воссоздать сосудистую сеть, необходимую для поддержания жизни органов. [46] Создание правильной сосудистой сети необходимо для транспортировки питательных веществ, кислорода и отходов. [46] Кровеносные сосуды, особенно капилляры, трудны из-за малого диаметра. [42] Прогресс в этой области был достигнут в Университете Райса, где исследователи разработали 3D-принтер для изготовления сосудов из биосовместимых гидрогелей и разработали модель легких, которые могут насыщать кровь кислородом. [46] Однако, эта техника сопровождается проблемой воспроизведения других мельчайших деталей органов. [46]Трудно воспроизвести запутанные сети дыхательных путей, кровеносных сосудов и желчных протоков, а также сложную геометрию органов. [46]

Проблемы, с которыми сталкиваются в области печати органов, выходят за рамки исследований и разработки методов решения проблем мультиваскуляризации и сложной геометрии. Прежде чем печать органов станет широко доступной, необходимо найти источник устойчивых источников клеток и разработать крупномасштабные производственные процессы. [47] Дополнительные проблемы включают разработку клинических испытаний для проверки долгосрочной жизнеспособности и биосовместимости синтетических органов. [47] Несмотря на то, что в области печати органов было сделано много разработок, необходимо провести дополнительные исследования.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h Шаер, Мэтью (май 2015 г.). «Скоро ваш доктор сможет распечатать человеческий орган по запросу» . Смитсоновский журнал . Проверено 2 апреля 2020 .
  2. ↑ Зальцман, Sony (23 сентября 2019 г.). «Напечатанные на 3D-принтере слухи с« бьющейся »тканью могут уменьшить нехватку доноров» . NBC News . Проверено 1 апреля 2020 года .
  3. ^ Б с д е е г ч я J K L Вентола, С. Ли (октябрь 2014). «Медицинские приложения для 3D-печати: текущее и предполагаемое использование» . Аптека и терапия . 39 (10): 704–711. ISSN 1052-1372 . PMC 4189697 . PMID 25336867 .   
  4. ^ Веинтроб, Карен (2015-01-26). «От трехмерного принтера, практические части для хирурга» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 2 апреля 2020 . 
  5. ^ a b c d e "Как работает трехмерная биопечать" . HowStuffWorks . 2013-12-17 . Проверено 2 апреля 2020 .
  6. ^ a b c «Изменение будущего медицины с помощью 3D-биопечати | Biogelx» . www.biogelx.com . Проверено 22 апреля 2020 .
  7. ^ а б Гу, Земинг; Фу, Цзяньчжун; Линь, Хуэй; Он, Йонг (2019-12-17). «Развитие 3D-биопечати: от методов печати до биомедицинских приложений» . Азиатский журнал фармацевтических наук . DOI : 10.1016 / j.ajps.2019.11.003 . ISSN 1818-0876 . 
  8. ^ «Рекорд первых» . Медицинская школа Уэйк Форест . Проверено 22 апреля 2020 .
  9. ^ а б «История биопечати» . CD3D . 2019-05-12 . Проверено 2 апреля 2020 .
  10. ^ a b Боланд, Томас. «Патент US7051654: Струйная печать жизнеспособных клеток» . Google.com . Проверено 31 марта 2015 года .
  11. ^ a b c Баджадж, Пиюш; Schweller, Ryan M .; Хадемхоссейни, Али; Уэст, Дженнифер Л .; Башир, Рашид (2014). «Стратегии 3D-биотехнологии для тканевой инженерии и регенеративной медицины» . Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 16 : 247–76. DOI : 10,1146 / annurev-Bioeng-071813-105155 . PMC 4131759 . PMID 24905875 .  
  12. ^ a b c d e f g h «История биопечати» . CD3D . 2019-05-12 . Проверено 2 апреля 2020 .
  13. ^ a b Фриман, Дэвид (19 апреля 2019 г.). «Израильские ученые создали первое в мире сердце, напечатанное на 3D-принтере, используя человеческие клетки» . NBC News . Проверено 22 апреля 2020 .
  14. ^ Хокадей, Лос-Анджелес; Канг, KH; Коланджело, Северо-Запад; Cheung, PYC; Дуань, Б; Мэлоун, Э; Ву, Дж; Жирарди, LN; Bonassar, LJ; Липсон, Н; Чу, CC (2012-08-23). «Быстрая 3D-печать анатомически точных и механически неоднородных гидрогелевых каркасов аортального клапана» . Биофабрика . 4 (3): 035005. Bibcode : 2012BioFa ... 4c5005H . DOI : 10.1088 / 1758-5082 / 4/3/035005 . ISSN 1758-5082 . PMC 3676672 . PMID 22914604 .   
  15. ↑ Зальцман, Sony (23 сентября 2019 г.). «Напечатанные на 3D-принтере слухи с« бьющейся »тканью могут уменьшить нехватку доноров» . NBC News . Проверено 1 апреля 2020 года .
  16. ^ Чжан, Йи; Чжоу, Дэчжи; Чен, Цзяньвэй; Чжан, Сюсю; Ли, Ксинда; Чжао, Вэньсян; Сюй, Тао (2019-09-28). «Биоматериалы на основе морских ресурсов для приложений трехмерной биопечати» . Морские препараты . 17 (10): 555. DOI : 10,3390 / md17100555 . ISSN 1660-3397 . PMC 6835706 . PMID 31569366 .   
  17. ^ Auger, François A .; Гибот, Лора; Лакруа, Дэн (2013). «Ключевая роль васкуляризации в тканевой инженерии». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 15 : 177–200. DOI : 10,1146 / annurev-Bioeng-071812-152428 . PMID 23642245 . 
  18. ^ a b c d Чиа, Елена Н; Ву, Бенджамин М (2015-03-01). «Последние достижения в области 3D-печати биоматериалов» . Журнал биологической инженерии . 9 (1): 4. DOI : 10,1186 / s13036-015-0001-4 . ISSN 1754-1611 . PMC 4392469 . PMID 25866560 .   
  19. ^ Август, Александр Д .; Конг, Хён Джун; Муни, Дэвид Дж. (2007-08-07). «Альгинатные гидрогели как биоматериалы». Макромолекулярная бионаука . 6 (8): 623–633. DOI : 10.1002 / mabi.200600069 . ISSN 1616-5187 . PMID 16881042 .  
  20. ^ Кести, Матти; Мюллер, Михаэль; Бехер, Яна; Шнабельраух, Матиас; Д'Эсте, Маттео; Эглин, Дэвид; Зеноби-Вонг, Марси (январь 2015 г.). «Универсальная биочернила для трехмерной печати клеточных каркасов на основе тандемного гелеобразования, инициируемого термическим и фотоэлементом». Acta Biomaterialia . 11 : 162–172. DOI : 10.1016 / j.actbio.2014.09.033 . ЛВП : 20.500.11850 / 103400 . ISSN 1742-7061 . PMID 25260606 .  
  21. ^ а б Баджадж, Пиюш; Schweller, Ryan M .; Хадемхоссейни, Али; Уэст, Дженнифер Л .; Башир, Рашид (11.07.2014). «Стратегии 3D-биотехнологии для тканевой инженерии и регенеративной медицины» . Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 16 (1): 247–276. DOI : 10,1146 / annurev-Bioeng-071813-105155 . ISSN 1523-9829 . PMC 4131759 . PMID 24905875 .   
  22. ^ a b Axpe, Eneko; Ойен, Мишель (25 ноября 2016 г.). «Применение биочерок на основе альгинатов в 3D-биопечати» . Международный журнал молекулярных наук . 17 (12): 1976. DOI : 10,3390 / ijms17121976 . ISSN 1422-0067 . PMC 5187776 . PMID 27898010 .   
  23. ^ Б с д е е г ч я J к л м Ван Сяохун (2019-11-25). «Современные полимеры для трехмерной (3D) биопечати органов» . Микромашины . 10 (12): 814. DOI : 10,3390 / mi10120814 . ISSN 2072-666X . PMC 6952999 . PMID 31775349 .   
  24. ↑ Athanasiou, Kyriacos A .; Эшварамурти, Раджалакшманан; Хадиди, Паша; Ху, Джерри К. (2013-07-11). «Самоорганизация и процесс самосборки в тканевой инженерии» . Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 15 (1): 115–136. DOI : 10,1146 / annurev-Bioeng-071812-152423 . ISSN 1523-9829 . PMC 4420200 . PMID 23701238 .   
  25. ^ Чжан, Йи; Чжоу, Дэчжи; Чен, Цзяньвэй; Чжан, Сюсю; Ли, Ксинда; Чжао, Вэньсян; Сюй, Тао (2019-09-28). «Биоматериалы на основе морских ресурсов для приложений трехмерной биопечати» . Морские препараты . 17 (10): 555. DOI : 10,3390 / md17100555 . ISSN 1660-3397 . PMC 6835706 . PMID 31569366 .   
  26. ^ Б Зальцман, Sony (23 сентября 2019). «Напечатанные на 3D-принтере слуховые аппараты с« бьющейся »тканью могут уменьшить нехватку доноров» . NBC News . Проверено 1 мая 2020 года .
  27. ^ a b «Статистика донорства органов | Донор органов» . www.organdonor.gov . 2018-04-10 . Проверено 2 апреля 2020 .
  28. ^ a b «Лист ожидания | Донорская программа Gift of Life» . www.donors1.org . Проверено 2 апреля 2020 .
  29. ^ «Соответствующие доноры и реципиенты | Донор органов» . www.organdonor.gov . 2018-05-07 . Проверено 2 апреля 2020 .
  30. ^ Афсана; Джайн, Винит; Джайн *, Нафис Хайдер и Кирти (31.10.2018). «3D-печать в персонализированной доставке лекарств» . Текущий фармацевтический дизайн . PMID 30767736 . Проверено 2 апреля 2020 . 
  31. ^ a b Вайнтрауб, Карен (26 января 2015 г.). «От трехмерного принтера, практические части для хирурга» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 2 апреля 2020 . 
  32. ^ а б в г Чжан, Бин; Гао, Лэй; Ма, Лян; Ло, Ичэнь; Ян, Хуайонг; Цуй, Чжаньфэн (2019-08-01). «3D биопечать: новый путь для производства тканей и органов» . Инженерное дело . 5 (4): 777–794. DOI : 10.1016 / j.eng.2019.03.009 . ISSN 2095-8099 . 
  33. ^ Чжан, Ю. Шрайк (2016). «Биопечать 3D микроволоконных каркасов для конструирования эндотелиализированного миокарда и сердца на чипе» . Биоматериалы . 110 : 45–59 - через Elsevier.
  34. ^ Чжан, Бен; Гао, Лэй; Ма, Лян; Ло, Ичэнь; Ян, Хуайонг; Цуй, Чжаньфэн (2019-08-01). «3D биопечать: новый путь для производства тканей и органов» . Инженерное дело . 5 (4): 777–794. DOI : 10.1016 / j.eng.2019.03.009 . ISSN 2095-8099 . 
  35. ^ a b c d e Гилберт, Фредерик; O'Connell, Cathal D .; Младеновская, Таджанка; Доддс, Сьюзан (01.02.2018). «Напечатайте мне орган? Этические и нормативные вопросы, возникающие при использовании трехмерной биопечати в медицине» (PDF) . Наука и инженерная этика . 24 (1): 73–91. DOI : 10.1007 / s11948-017-9874-6 . ISSN 1471-5546 . PMID 28185142 . S2CID 46758323 .    
  36. ^ a b c d e Vijayavenkataraman, S .; Лу, ВФ; Фух, JYH (2016-03-01). «3D биопечать - концепция этических, правовых и социальных аспектов (ELSA)» . Биопечать . 1–2 : 11–21. DOI : 10.1016 / j.bprint.2016.08.001 . ISSN 2405-8866 . 
  37. ^ a b c Волински, Ховард (2014). «Поэтапная печать органов» . EMBO Reports . 15 (8): 836–838. DOI : 10.15252 / embr.201439207 . ISSN 1469-221X . PMC 4197040 . PMID 25012625 .   
  38. ^ Здоровье, Центр устройств и радиологии (2019-02-09). «Роль FDA в 3D-печати» . FDA .
  39. ^ a b Вермёлен, Ники; Хаддоу, Гилл; Сеймур, Тирион; Фолкнер-Джонс, Алан; Шу, Вэньмяо (01.09.2017). «3D bioprint me: социоэтический взгляд на биопечать органов и тканей человека» . Журнал медицинской этики . 43 (9): 618–624. DOI : 10.1136 / medethics-2015-103347 . ISSN 0306-6800 . PMC 5827711 . PMID 28320774 .   
  40. ^ Михали, Джессика; Мюллер, Анн-Катрин (2016). Тело на заказ - юридические аспекты биопечати тканей и органов . Gesellschaft für Informatik eV ISBN 978-3-88579-653-4.
  41. ^ Озболат, Ибрагим Т .; Ю, Инь (март 2013 г.). «Биопечать в направлении изготовления органов: проблемы и будущие тенденции». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии . 60 (3): 691–699. DOI : 10.1109 / TBME.2013.2243912 . ISSN 1558-2531 . PMID 23372076 . S2CID 206613022 .   
  42. ^ а б в г д Льюис, Тим (30.07.2017). «Может ли 3D-печать решить проблему нехватки трансплантатов органов?» . Наблюдатель . ISSN 0029-7712 . Проверено 29 апреля 2020 . 
  43. ^ a b «Мочевой пузырь, выращенный из трехмерной биопечати ткани, продолжает функционировать через 14 лет» . Индустрия 3D-печати . 2018-09-12 . Проверено 29 апреля 2020 .
  44. ^ a b c d "Биопечать: этические и социальные последствия" . ASCB . 2018-11-16 . Проверено 29 апреля 2020 .
  45. ^ «История биопечати» . CD3D . 2019-05-12 . Проверено 29 апреля 2020 .
  46. ^ a b c d e Гент, Эдд (07.05.2019). «Новый прогресс в самой большой проблеме с органами, напечатанными на 3D-принтере» . Singularity Hub . Проверено 29 апреля 2020 .
  47. ^ a b Wragg, Николас М .; Берк, Лиам; Уилсон, Саманта Л. (декабрь 2019 г.). «Критический обзор текущего прогресса в 3D биопроизводстве почек: достижения, проблемы и рекомендации» . Заместительная почечная терапия . 5 (1): 18. DOI : 10,1186 / s41100-019-0218-7 . ISSN 2059-1381 .