Трехмерная технология печати в тканевой инженерии

3D printing technology in tissue engineering

Автор: Кежаев Никита Юрьевич 

ФГБВОУ ВО «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» Министерства обороны РФ, Санкт-Петербург, Россия

е-mail: z0911918@mail.ru

Kezhaev Nikita Yurievich

Military Medical Academy named after S. M. Kirov of the Ministry of Defense of the Russian Federation, Saint-Petersburg, Russia

е-mail: z0911918@mail.ru

Аннотация: Печать методом послойного наложения – многообещающий и один из перспективных методов 3D-печати для изготовления персонализированных имплантатов, для каждого пациента в отдельности. Объемные модели внутренних органов, напечатанные имплантаты и протезы применяются врачами при операциях на ключицах, лопатках, тазобедренных костях. В статье описываются случаи использования технологии трехмерной печати в тканевой инженерии её преимущества и недостатки. 

Abstract: Layer-by-layer printing (FDM- Fused Deposition Modeling) is a promising and one of the most promising 3D printing methods for manufacturing personalized implants, for each patient individually. Three-dimensional models of internal organs, printed implants and prostheses are used by doctors during operations on the clavicles, shoulder blades, and hip bones. The article describes the cases of using 3D printing technology in tissue engineering, its advantages and disadvantages.

Ключевые слова: 3D-печать, имплантаты, протезы, объёмные модели, технология трехмерной печати, тканевая инженерия.

Keywords: 3D printing, implants, prostheses, three-dimensional models, technology of three-dimensional printing, tissue engineering.

Тематическая рубрика: Медицина и психология.

Введение.

Трехмерная (3D) печать впервые была описана более чем 30 лет назад и с тех пор она используется во многих сферах начиная от автомобильной промышленности и заканчивая медицине. Поскольку трехмерная печать позволяет быстро создавать прототипы, ее стали использовать для печати точных копий органов человека, различных видов лекарственных форм, хирургических моделей опорно-двигательной системы, а также для создания медицинских имплантатов. По преобразованным данным компьютерной томографии (КТ) изготавливают полностью индивидуальные протезы и имплантаты для каждого пациента в отдельности с высочайшей точностью. В различных источниках предлагалось использование трехмерной печати для производства таблеток и капсул с несколькими отсеками, медицинских инструментов. Протезы костей, созданные при помощи технологий трехмерной печати, имеют огромное преимущество в скорости создания.

Недостатком этой технологии является отсутствие каких-либо рамок для одобрения регулирующими органами здравоохранения, напечатанных на 3D-принтере моделей, что в настоящее время препятствует широкому распространению на рынке продуктов, производимых FMD печатью.

Технология и применение.

FDM печать представляет собой процесс аддитивного производства при помощи экструзии материалов. Изделие строится путем нанесения расплавленного материала слой за слоем по уже готовой модели, спроектированной в специализированной программе с использованием КТ пациента. Такой способ исключает нехватку подходящих доноров органов, высокую стоимость трансплантации, заболеваемость и смертность в результате пожизненной иммуносупрессии. 

Персонализированная 3D-печать может изменить пластическую и реконструктивную хирургию, особенно у пациентов с редкими пороками развития. Более того, внедрение 3D-печатных кровеносных сосудов вместо пересаженных сосудистых графтов может изменить подход к сердечно-сосудистым патологиям.

3D-печать способна произвести революцию в тканевой инженерии и позволить в полной мере использовать ее потенциал в регенеративной медицине благодаря превосходным физическим свойствам каркасов, напечатанных на 3D-принтере. Печатные каркасы могут имитировать характеристики желаемой ткани и иметь ту же анатомическую геометрию [1]. 

Тканевая инженерия — область медицины, включающая использование биосовместимого каркаса, загруженного соответствующими типами клеток. Поскольку взаимодействие между клетками и каркасом определяет результат процедуры, поиск подходящего каркаса так же важен, как и подготовка клеток. Первая тканевая инженерия в пересадке дыхательных путей человека привлекла внимание общественности в 2008 году. Однако эту процедуру сложно воспроизвести, поскольку для механической поддержки трансплантата использовалась децеллюляризованная трупная трахея. После огласки успехов этой операции ученые приступили к разработке легко изготавливаемых каркасов, обеспечивающих доступность человеческих органов в готовом виде и продолжили исследования по разработке синтетических или биологических каркасов для тканевой инженерии [2].

Напечатанные каркасы также могут устранить проблему ручного засева клеток и иметь легко воспроизводимый и стандартизированный размер пор, который облегчит пролиферацию и агрегацию клеток. В случае комбинирования биологических и синтетических биорезорбируемых материалов несущие свойства каркасов могут быть улучшены. Потенциальной проблемой такого способа может стать гибель клеток во время нагревания при печати каркаса, однако несколько исследователей уже сообщили, что минимальные требования для жизнеспособности клеток можно поддерживать путем инкубации в подходящей среде после 3D-печати [3]. 

Были успешно напечатаны различные ткани человека, включая хрящи, нервную ткань, печень и кожу. При печати хряща на небольших поддержках, назальные хондроциты человека высеивались на высоководный биогидрогель, имитирующий внеклеточный матрикс из наноцеллюлозы и альгината. 3D-печать нейронной ткани с использованием нервных стволовых клеток эмбриона крысы в композите коллагенового гидрогеля доказала, что тонкая каркасная структура, изготовленная с помощью 3D-печати, может позволить использовать два разных типа клеток, нейронов и астроцитов [4]. Аналогичным образом формирование эпидермиса и дермы было достигнуто после биопечати кератиноцитов и фибробластов с использованием технологии лазерной печати [5]. В печати использовались биологические материалы, имеющие малую токсичность и сходство с внеклеточным матриксом. Тем не менее, синтетические термопластические материалы привлекают к себе повышенное внимание, поскольку несколько различных полимеров могут быть объединены для изготовления механически стабильных конструкций скелетно-мышечных органов [6].

С использованием технологии трехмерной биопечати были изготовлены живые сердечные клапаны [7]. Напечатанный на 3D-принтере аортальный рукав уже использовался в клинических условиях вместо коммерческого эндоваскулярного протеза. В этом конкретном случае потребовалось всего 9 часов, чтобы напечатать трансплантат длиной 6,3 см и толщиной 2 мм [8]. Успешно имплантировали биорезорбируемую 3D-печатную шину трахеи, изготовленную с помощью микроэкструзионной биопечати, ребенку с тяжелой трахеобронхомаляцией [9]. Индивидуальные лицевые кости, изготовленные с помощью струйной 3D-печати, становятся стандартом лечения для пациентов в челюстно-лицевой хирургии.

Заключение.

3D-печать в тканевой инженерии способна в полной мере раскрыть ее потенциал в области регенеративной медицине. Каркасы, получаемые методом трехмерной биопечати обладают превосходными физическими свойствами. Данная технология позволяет в кратчайшие сроки производить индивидуальные протезы и имплантаты для каждого пациента с высокой точностью. Полученные каркасы в точности имитируют характеристики желаемой ткани и имеют ту же анатомическую геометрию. 3D-печать способна устранить проблему ручного засева клеток, а также она легко воспроизводима и может быть стандартизирована. Эта технология может использоваться и в других областях медицины. В настоящее время следует уделить повышенное внимание к дополнительным исследованиям и демонстрации возможностей трехмерной печати как пациентам, так и здоровым гражданам.

Литература:

1. Gu Q, Hao J, Lu Y, Wang L, Wallace GG, Zhou Q. Three-dimensional bioprinting. Sci China Life Sci 2015, 58:411–9.

2. Crowley C, Birchall M, Seifalian AM. Trachea transplantation: from laboratory to patient. J Tissue Eng Regen Med 2014, 9: 357–367.

3. Yu Y, Zhang Y, Martin JA, Ozbolat IT. Evaluation of cell viability and functionality in vessel-like bioprintable cell-laden tubular channels. J Biomech Eng 2013, 135: 091011–91019.

4. Lee W, Pinckney J, Lee V et al. Three-dimensional bioprinting of rat embryonic neural cells. NeuroReport 2009, 20: 798–803.

5. Koch L, Deiwick A, Schlie S, et al. Skin tissue generation by laser cell printing. Biotechnol Bioeng 2012, 109: 1855–63.

6. Merceron TK, Burt M, Seol Y-J, et al. A 3D bioprinted complex structure for engineering the muscle – tendon unit. Biofabrication 2015, 7: 1–9.

7. Duan B, Kapetanovic E, Hockaday LA, Butcher JT. Three-dimensional printed trileaflet valve conduits using biological hydrogels and human valve interstitial cells. Acta Biomater 2014, 10: 1836–46.

8. Leotta DF, Starnes WB. Custom fenestration templates for endovascular repair of juxtarenal aortic aneurysms. J Vasc Surg 2015, 61: 1637–41.

9. Zopf DA, Hollister SJ, Nelson ME, Ohye RG, Green GE. Bioresorbable airway splint created with a three-dimensional printer. N Engl J Med 2013, 368: 2043–5.