Исследователи из китайского университета в Сычуане (http://en.scu.edu.cn/), бельгийского университета в Генте (https://www.ugent.be/en) и калифорнийского университета в Сан-Диего (https://ucsd.edu/) разработали метод 3D-печати человеческого уха внутри тела.
В недавно разработанной исследовательской группой методике, основанной на цифровой обработке света (DLP), используется ближний инфракрасный луч света для обеспечения неинвазивной трехмерной биопечати человеческого уха. Этот новый метод может позволить врачам восстанавливать человеческие уши, которые были повреждены в результате многочисленных спортивных травм или несчастных случаев, и открыть новый путь исследований 3D-печати в неинвазивной медицине.
В последние годы биопринтинг использовался для создания персонализированных структур для широкого спектра медицинских применений, особенно в регенеративных препаратах. Используя струйную печать, экструзию, лазерное прямое воздействие и методы 3D-печати с помощью света, ученые смогли изготовить живые органы и ткани. Многие из этих приложений вживую требуют инвазивного хирургического вмешательства или трехмерной печати на месте при незащищенной травме, которые требуют воздействия на место применения. Кроме того, при внутренних повреждениях под кожей операция, которая выявляет травму, может повредить окружающие ткани, вызывая вторичную травму.
Исследователи разработали альтернативный процесс 3D-печати DLP, который позволил им неинвазивно изготавливать биоинкейсы, покрытые тканями, в индивидуальные продукты, включая живые тканевые конструкции in situ. Предыдущие подходы использовали метод DLP для реконструкции или восстановления нескольких тканей, включая повреждения спинного мозга, периферических нервов и кровеносных сосудов. Традиционно ультрафиолетовый (УФ) или синий свет используют для облегчения биопечати с помощью фотополимеризации, но их трудно использовать в качестве инструмента для неинвазивного производства из-за их низкой способности проникновения в ткани.
Благодаря своим способностям глубокого проникновения в ткани, исследователи разработали метод, основанный на использовании ближнего инфракрасного излучения (NIR), вместо использования подхода, основанного на УФ или синем свете. Традиционно используемый для контролируемого высвобождения лекарственного средства у пациентов, точный контроль NIR-индуцированной эффективной фотополимеризации обеспечивает неинвазивное изготовление покрытых тканью биочернил в структурированные продукты. На основе разработки процесса цифровой фотополимеризации в ближнем ИК-диапазоне (DNP) исследовательская группа создала неинвазивную систему трехмерной биопечати в живом организме.
Метод исследователей включает создание модели автоматизированного проектирования (CAD), которая через подключенный чип цифрового микрозеркального устройства (DMD) динамически генерирует ближнее инфракрасное излучение. Инфракрасный свет затем проецируется, чтобы неинвазивно вызывать пространственную полимеризацию локального введенного биоинтерфейса слой за слоем. Было продемонстрировано, что обычно используемые биосовместимые мономеры гидрогеля, такие как желатин метакрилоил (GelMA), совместимы с полимеризацией в этом процессе NIR-облучения. Как только биоматериалы активировируются, изображения последовательно подаются на компьютер.
Испытания показали, что процесс DNP способен быстро печатать гидрогелевые препятствия, полученные из GelMA, и занимает около 15 секунд, чтобы напечатать слой ткани толщиной 200 микрон. Чтобы оценить возможности метода, были изготовлены трехкольцевые микроструктуры с уменьшением ширины от 200 до 100 мкм с использованием процесса DNP. Двухслойные микроструктуры с точными, настраиваемыми трехмерными элементами в форме цветка, формы торта и типа ферменной конструкции, также были изготовлены ex vivo, доказывая возможности этой технологии.
Исследователи накрыли кусок биочернил мышечной тканью свиньи толщиной 0,5 мм, чтобы имитировать явления неинвазивной трехмерной биопечати in vivo. Используя NIR-свет, команда смогла возбудить узорную эмиссию наноинициаторов в биочернилах и вызвать полимеризацию. Когда процедура была протестирована внутри лабораторных мышей, процесс не оказывал влияния на окружающие их ткани, которые имели целостные структуры ткани, без значительного воспаления или аномальных дефектов. Три типа структур, в том числе треугольные, крестообразные и двухслойные гидрогелевые конструкции в виде торта, были успешно неинвазивно напечатаны с помощью процесса DNP, что указывает на то, что этот процесс способен к неинвазивной трехмерной биопечати in vivo.
Воспроизводя этот процесс, исследователи создали индивидуальную ушную конструкцию, содержащую хондроциты. Клетки уха обладали хорошей жизнеспособностью после печати, культивировались в течение 7 дней in vitro, и через месяц форма уха сохранялась. Созданная в качестве доказательства концепции неинвазивной трехмерной биопечати, подобная уху ткань предлагает многообещающие приложения для будущей регенерации ткани и реконструкции ушной раковины.
Биопринтинг использовался в аддитивном производстве для создания целого ряда живых органов и тканей для имплантации.
Например, 3D Bioprinting Solutions (https://bioprinting.ru/en/), российская биотехнологическая исследовательская лаборатория, имеет опыт 3D-биопечати костной ткани в невесомости на борту Международной космической станции (МКС). Используя магнитный 3D биопринтер лаборатории Organ.Aut, проект направлен на создание костных имплантатов для трансплантации космонавтам во время длительных межпланетных экспедиций.
Ученые из Университета Карнеги-Меллона (CMU - https://www.cmu.edu/), штат Пенсильвания, в августе 2019 года использовали новый метод 3D-биопечати для создания функциональных частей человеческого сердца. Используя технологию обратимого встраивания суспендированных гидрогелей (FRESH - https://3dprintingindustry.com/news/aleph-objects-enters-3d-bioprinting-with-fluidform-hardware-coming-summer-2019-156914/) в свободной форме, команда смогла осуществить 3D-печать коллагена для мелкие кровеносных сосудов, клапанов и сосудов желудочков.
В январе 2019 года компания Aspect Biosystems (https://www.aspectbiosystems.com/), занимающаяся технологиями 3D-биопечати, объявила о сотрудничестве с нидерландским университетом в Маастрихте (UM - https://www.maastrichtuniversity.nl/). Целью проекта была разработка жизнеспособной ткани почек для медицинских испытаний.
Выводы исследователей подробно изложены в их статье «Неинвазивная трехмерная биопечать in vivo» (https://advances.sciencemag.org/content/6/23/eaba7406), опубликованной в журнале Science Advances (https://advances.sciencemag.org/content/6/23/eaba7406).