Портативный биопринтер весит всего 997 гр.

Исследователи Университета Торонто разработали 3D-биопринтер, способный печатать полоски биоматериала для заживления глубоких ран на коже. Портативный девайс помещается в руку и весит 997 гр. Он может распечатать кожную «заплатку» шириной в 2 см за пару минут.

Испытания 3D-биопринтера проводились на крупных и мелких животных: для этого на коже животного вырезалась рана размером 20х40 мм, делалась подложка из агарозы, после чего наносился слой печатного биоматериала.

Материалы и методы



На рисунке выше показана схема, демонстрирующая процесс биопечати. Клетки суспендируются в гидрогелевом растворе. Затем ими наполняют один (или при необходимости несколько) шприцев. В еще одном шприце содержится раствор, образующий поперечные связи (на рисунке а показан синим). Этот раствор в умеренных условиях (т.е. при естественном pH и температуре тела) способствует превращению биополимерного раствора в гель.

После установки заправленных шприцев в ручной биопринтер биочернила наносятся как биологический материал или пласт ткани на чашку для культивирования или непосредственно на поверхность раны. Например, биочернила, содержащие фибробласт человека, можно равномерно распределить в дермальный слой толщиной 0,1 – 0,6 мм. Биочернила, содержащие кератиноциты, можно наносить параллельными полосами, разделёнными бесклеточными полосами, что напоминает сетчатую эпителиальную пересадку кожи.

Микрофлюидный картридж

Основная часть инструмента – микрофлюидный картридж из полупрозрачного полимера. Он был создан на 3D-принтере. Картридж обеспечивает равномерное поперечное распределение как минимум двух растворов в микроканальные сети, расположенные в отдельных плоскостях. В картридже есть выходные отверстия шириной 8, 14 и 20 мм.

Подготовка подложки из агарозы

Раствор 2% агарозы в деионизированной воде готовится путем нагрева микроволновым излучением. Раствор остужают до 60°C перед тем как вылить его на стерильные чашки Петри, что приводит к образованию гелевого слоя толщиной 3 мм. Гель затвердевает за 30 минут пребывания в комнатной температуре.

Подготовка биочернил

Исследователи приготовили биочернила с тремя разными составами.

1. Для альгинатных коллагеновых пластов: альгинат натрия растворили в растворе DMEM и 20 ммоль/л ГЭПЭС и отфильтровали при помощи 0,1 мкм шприцевого микрофильтра. Коллаген 1-го типа был сбалансирован до pH 7 при помощи 1 г/моль NaOH в фосфатно-солевом буферном растворе (PBS). Два исходных раствора смешали, чтобы в результате получить концентрацию 5 мг/мл коллагена 1-го типа и 2% альгината. Раствор держали на льду перед использованием.

2. Биочернила для дермального слоя: 5% фибриноген растворили при 37 °C в PBS при умеренном помешивании на протяжении 2 часов. 1% гиалуроновой кислоты растворили в PBS. Растворы смешали в пропорции 1:1, а затем отфильтровали. Раствор коллагена 1-го типа был сбалансирован при помощи NaOH до pH 7 и смешан с отфильтрованным раствором фибрина/гиалуроновой кислоты, чтобы в результате получить концентрацию из 1.25% фибриногена, 0.25% гиалуроновой кислоты, и 0.25% коллагена. Раствор держали на льду перед использованием.

3. Биочернила для эпидермального слоя: приготовлены с итоговой концентрацией 2.5% фибриногена и 0.25% гиалуроновой кислоты.


До и после нанесения чернил (рисунок f)

Команда разработчиков устройства надеется, что когда-нибудь их девайс будут использовать в клинических условиях, чтобы улучшить лечение ожогов и других сильных повреждений кожи.
Полный текст работы доступен по ссылке.

Похожее устройство создали корейские ученые еще в 2017 году. Это был 3D-биопринтер, который печатал биоматериал, сильно напоминающий по составу человеческую кожу, но стоимость такого материала была в 50 раз дешевле, чем у аналогов. Кожа создавалась на базе коллагенового материала и полипролактона и созревала две недели.

А ученые из Австралии создали 3D-печатную биоручку, которая способна печатать хрящевые ткани прямо на поврежденных участках организма: костях, сухожилиях или мыщцах. Биоматериал создавался из гидрогеля и стволовых клеток. Состав обрабатывался ультрафиолетовым облучением.

Больше о медицине будущего и 3D-печати — на robo-hunter.com.

Комментарии (22)


  1. Astartan
    07.05.2018 17:56

    Читая подобные новости, удивляюсь: почему это всё так долго внедряется в массовое производство? С лекарствами понятно: нужно выявить побочные действия и более досконально само действие на организм. Неужели, обычный лейкопластырь (а описанный девайс вполне можно сравнить с лейкопластырем), встречал на своём внедрении преграды?


    1. ru1z
      07.05.2018 19:36

      На прошлой неделе ходил на лекцию по биопринтингу — там лектор вещал, что легче создавать комплексное решение мединституту, чем продавать как продукт. Не знаю всех причин, но как минимум есть сложности с обучением персонала (это уже операция получается, т.е. нужен хирург, например), а также необходимостью стерильных условий (тем более, в случае если печатают напрямую клетки, это не лейкопластырь, все намного сложнее). Кроме того, здесь тоже нужно доказать пользу/безвредность (заживление на мышках, свинках). Лектор еще говорил, что уже во многих крупных медцентрах есть биопринтеры.
      Лучше призвать Meklon, для конкретики.


      1. Meklon
        07.05.2018 21:50
        +2

        У нас нет. Я сейчас как раз кожей занимаюсь. В принципе, здесь принтер нафиг не нужен. Зачем он для печати плоского листа? Просто осаждение послойное в чашках Петри. Вполне отработанный вариант. И ещё. Дефект шириной 20мм — это не критический дефект. Он сам заживает. Гораздо интереснее закрыть площадь порядка 80x80 мм и более.


        1. ru1z
          07.05.2018 22:19

          Спасибо за разъяснения! Наверное канадцы отрабатывают технологию, потом вероятно перейдут на более протяженные или трехмерные объекты, раз печать клетками.
          Я как раз на лекцию по BioPen и другим разработкам от австралийских ученых ходил, очень интересно оказалось. Даже жаль, что как-то недооценивал раньше современные возможности технологии в медицине. Некоторые вещи фантастично звучат, надеюсь сработает :).
          Надеюсь, напишите статью про ваши разработки и про то как можно посодействовать со стороны смежных специальностей или проекту в-общем. Было бы очень интересно узнать.


          1. Meklon
            07.05.2018 22:45
            +2

            У меня все под NDA. Ну разве что только почитать те научные публикации, что уже вышли.
            Вот мой профиль на Researchgate. Там много что есть из тех публикаций, где я соавтор.


            1. ru1z
              08.05.2018 13:25

              Отлично, хотя бы так).


              1. Meklon
                08.05.2018 14:19

                Sci-hub в помощь) могу посоветовать эту публикацию в Biomaterials.


                1. ru1z
                  08.05.2018 18:33

                  Sci-hub в помощь)

                  Хм, звучит как-то духовно))). Помогает, не то слово, никакая подписка не обошла еще sci-hub, жаль нет для баз данных своих хабов.
                  Впечатляет работа, начиная от списка учреждений, стран и авторов и заканчивая страшными (трансплантация и томография) картинками, интересно живете, не скучаете). Даже жаль, что нельзя участвовать в таком деле. Спасибо за статью. Удачи в исследованиях!


                  1. Meklon
                    08.05.2018 19:11

                    Спасибо) там не один год труда нескольких команд. Как вспомню, как крысу в томограф запихивал… Он для человеческой головы на самом деле. Пришлось мастерить подставку и силиконовую подушку для фиксации позы.


                    1. ru1z
                      08.05.2018 19:23

                      Я когда читал, именно об этом думал — как же так много народу работало вместе, это же месяцы только согласовать между собой))).
                      Не сомневаюсь, что было много нестандартных решений. Впрочем большинство методов в статье я не представляю, ну криосрезы напрягая воображение я представляю, благо мороженное мясо резать приходилось, но как какую-нибудь спирометрию у крысы делать — не хватает воображения (на человеке представляю, т.к. был подопытным волонтером на одном медпроекте). А ведь крысиная спирометрия наверняка рутинная процедура. Надеюсь 3д-принтинг поскорее придет в быт, после всех этих сложностей.


                      1. Meklon
                        08.05.2018 19:26
                        +1

                        Не… Ни хрена не рутинная) я изобретал специальные силиконовые переходники для их мордочки. Стандартный вариант подразумевает интубацию, а мне удалось сделать нативный вариант с индивидуальным силиконовым шлемом.


                        1. ru1z
                          08.05.2018 19:33

                          Это нужно видеть теперь)))).
                          Надеюсь, сплевывать крыс не нужно было заставлять. Не зря лабораторной живности памятники ставят.


                          1. Meklon
                            08.05.2018 19:45
                            +1


                            Вот как-то так) и в стеклянную воронку с датчиком.


                            1. ru1z
                              08.05.2018 20:08

                              Это нужно срочно патентовать)))


    1. Meklon
      07.05.2018 21:53
      +1

      Тут область потенциального применения — обширные раны и ожоги. Это не про бытовые порезы.


      1. i_Max2
        08.05.2018 16:11

        Для порезод уже давно существует медицинский клей БФ-5


  1. Vadzimkan
    07.05.2018 21:02
    +1

    А не проще ли в данном случае использовать обычный шпатель? :)


    1. Meklon
      07.05.2018 21:52

      Я ж о том же. Тем более, что клетки культивируются плоскими слоями в инкубаторе. Принтер и/или каркасы нужны для трёхмерных патчей.


      1. neon_coke
        08.05.2018 09:41

        Но по трехмерным патчам, к сожалению, пока все очень печально. ИМХО 3d bioprinting тупиковая технология в том виде что ее пытаются продвигать — печать раствором клеток или небольшими группами клеток.


        1. Meklon
          08.05.2018 10:14

          У нашей группы есть интересные результаты на базе децеллюляризированных каркасов.


          1. neon_coke
            10.05.2018 09:36

            Децеллюляризированные каркасы применяете с 3д биопринтингом? На сколько я помню на децеллюляризированных каркасах пока только удалось 2д структуры повторить с применением нескольких типов клеток. Или вы пошли дальше?


            1. Meklon
              10.05.2018 10:32

              Я выше ссылку на Biomaterials приводил. У нас вполне полноценная заплатка диафрагмы у крыс получилась. Есть подвижки в создании полых органов вроде пищевода. Тоже публикации есть. Там сложная подготовка в биореакторе требуется, смешанные культуры клеток для репопуляции каркаса и потом префабрикация уже внутри самого организма перед финальной пересадкой. Конечно, там еще копать и копать.