3D-принтинг в биомедицине: оборудование, задачи, области применения

Специалисты создают имплантаты, протезы, функциональные органы для животных и некоторые ткани для человеческого организма. А уже в 2025 году, по оценке Петра Тимашева, директора института регенеративной медицины Первого МГМУ имени И.М. Сеченова, может стать реальностью принтинг полноценных человеческих органов* (по материалам эфира «УТРО РОССИИ» от 07.06.2019).

В то же время, ученые используют 3Д-принтинг для решения биомедицинских задач. В частности – для поиска новых методов лечения человеческого организма: печатают трехмерные «органы на чипе», создают малоинвазивные инструменты и устройства с точечным взаимодействием. В этой статье мы расскажем про оборудование и способы применения объектов 3D-печати в области биомедицины.

Оборудование для 3D-принтинга в биомедицине

Процесс 3D-принтинга объектов для биомедицины состоит из трех основных этапов: изучение свойств материала, создание трехмерной томограммы объекта печати и непосредственно сама печать.

1. Изучение свойств материала. Для изучения свойств материалов, которые впоследствии станут прообразом объектов 3D-печати, используют электронный микроскоп.

Например – ZEISS EVO.

Такой микроскоп позволяет исследовать образцы с разрешением до нескольких нанометров, в том числе – непроводящие образцы без пробоподготовки.

2. Создание трехмерной томограммы объекта печати. Для создания трехмерной томограммы объекта применяют рентгеновский микроскоп.

Например, Zeiss Xradia или Xradia Context microCT.

Он позволяет исследовать объекты неразрушающим методом, изучать их микротомографию в объеме с пространственным разрешением вплоть до десятков или сотен нанометров.

3. Печать. Подготовленный объект печатают на литографе. Результатом печати становятся фотонные кристаллы, оптические метаматериалы, скелеты под рост клеток и функционализацию для биологии, канальные схемы для микро- и нанофлюидики, а также прототипы механических метаматериалов.

Например, Nanoscribe Photonic Professional GT2. С помощью метода двухфотонной полимеризации он позволяет синтезировать объемные микро- и субмикронные структуры сложной формы и с деталями размером до 100 нанометров.

Способы применения 3D-объектов для биомедицинских научных исследований

Биомедицинские объекты, созданные с помощью 3D-печати, различаются по «масштабам» структур:

1. Масштаб отдельных клеток, порядка 10 мкм – так называемые «органы на чипе»
2. Масштаб человеческого волоса, 50-100 мкм – «малоинвазивные инструменты» и «устройства с выборочным взаимодействием».

Масштаб отдельных клеток, 10 мкм

Ученые печатают миниатюрные модели органов для исследования поведения клеток в режиме реального времени и для долгосрочных экспериментов. С помощью таких моделей можно наблюдать за ростом ткани и влиять на него с помощью лекарственных средств или токсинов, изучать ключевые механизмы распространения заболеваний и способы их лечения.

• Печать трабекулярной кости для изучения адгезии клеток
  А.Marino et al., Acta Biomaterialia 10, Issue 10, pp. 4304-4313 (2014)
  
  Ученые из Италии напечатали трабекулярную кость по рентгеновским томограммам из медицинской картотеки по травматологии. Кость поместили в специальную клеточную среду для дальнейшего изучения клеточной адгезии. Результаты планируют использовать в области тканевой инженерии и регенеративной медицины.
  
  “The need for a better understanding of cell behavior and for exploiting cell functions in various healthcare applications has driven biomedical research to develop increasingly complex fabrication strategies to reproduce the natural biological microenvironment in vitro.”
  
• Создание модели гематоэнцефалического барьера на чипе
  A. Marino et al., Small 14, 1702959 (2018)
  
  В другой работе та же группа напечатала пористую микротрубку (IP-Dip) и высадила на нее клеточные колонии: эндотельные – типа bEnd.3 и U87 клетки глиобластомы для моделирования процессов переноса клеток под давлением кровеносной системы. Результаты исследования могут быть использованы для изучения задачи «доставки лекарственных средств» при заболеваниях головного мозга.
  
  “This system will be exploited as a realistic in vitro model for the investigation of BBB crossing of nanomaterials and drugs, envisaging therapeutic and diagnostic applications for several brain pathologies, including brain cancer.”
  

Масштаб 50-100 мкм

Исследователи создают «малоинвазивные инструменты» для безболезненных медицинских процедур и «устройства с выборочным взаимодействием» для точечного лечебного воздействия на человеческий организм.

• Печать ловушек для раковых клеток
  B. Spagnolo et al., Scientific Reports 5, 10531 (2015)
  
  Другой коллектив ученых из Италии напечатали мелкоячеистые структуры и высадили на них раковые клетки. Изучали инвазивность клеточных линий, подвижность клеток и их способность пересекать поры различного размера, что непосредственно связано с процессом появления метастаз. Это позволило установить пороговое значение площади пор, способное различать онко-клетки.
  
  “We found that the ability to traverse differently sized pores depends on the metastatic potential and on the invasiveness of the cell lines, allowing to establish a pore-area threshold value able to discriminate between non-tumorigenic and tumorigenic human breast cells.”
  
  Компания SmartCatch (Франция) уже использует подобные структуры-ловушки на практике. Они помогают купировать процессы появления метастаз.
  
• Создание малоинвазивных инструментов
  M. Suzuki et al., 18th Int. Conf. on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS), 121-124 (2015)
  
  Ученые из Ohio State University (США) изучили хоботок комара с помощью методики сканирующей электронной микроскопии и напечатали микроиголку для проникновения в кожу. Результат – возможность безболезненного ввода лекарственных средств.
  
  “Aiming at painless medical applications, a hollow microneedle imitating mosquito's proboscis is developed using three-dimensional laser lithography.”
  
• Создание микромашин для переноса лекарственных средств
  T.-Y. Huang et al., Adv. Mater. 27, 6644–6650 (2015)
  
  Коллектив ученых из Швейцарии, Китая и США напечатали микромашину из трех независимых составных элементов: винта, цилиндра и оболочки из различного материала. В нее могут быть помещены лекарственные средства или наночастицы. С помощью магнитного поля можно управлять движением данного зонда и его открытием/закрытием для переноса лекарственных средств в пораженные клетки организма.
  

Заключение

В настоящее время ученые проводят большое количество исследований в области биомедицины с использованием 3Д-принтинга. Результаты работ делают возможным появление новых, более эффективных лекарственных средств. Ученые-биологи, совместно с медиками и инженерами, предпринимают шаги, которые в будущем помогут лечить людей и повысят уровень жизни общества в целом.