Группа исследователей из Университета Карнеги-Меллон  разработала новый метод трёхмерной биопечати, который позволяет создавать реалистичные полноразмерные модели сердца

человека. 

 

Методика обратимого встраивания суспендированных гидрогелей произвольной формы (FRESH - Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels), разработанная учеными, включает экструзию экологически чистого альгинатного полимера в изготовленный на заказ желатиновый контейнер. Используя новый процесс, команда работает с хирургами для создания индивидуальных клинических моделей для хирургического обучения и приложений предварительного планирования.

 

«Хирург может манипулировать им и заставить его реагировать как настоящая ткань», - сказал профессор Адам Файнберг, возглавляющий проект. «Поэтому, когда они попадают на операционную площадку, они получают дополнительный уровень реалистичной практики в этой обстановке».

 

 «ТЕПЕРЬ МЫ МОЖЕМ СОЗДАТЬ МОДЕЛЬ, КОТОРАЯ ПРИГОДНА НЕ ТОЛЬКО ДЛЯ ВИЗУАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ, НО ПОЗВОЛЯЕТ УЛУЧШИТЬ ФИЗИЧЕСКУЮ ПРАКТИКУ».

 

Все большее число хирургов применяют 3D-печать как средство разработки моделей, которые позволяют им объяснять своим пациентам кардиологические процедуры. Использование биопечати для создания этих копий позволяет им быть реалистичными, но также открывает возможности для применения в тканевой инженерии и регенеративной медицине в будущем.

 

В настоящее время общие методы 3D-печати, такие как стереолитография (SLA) и Fused Deposition Modeling (FDM), используются для воспроизведения реалистично выглядящих органов. Хотя такие методы обычно давали положительные результаты, их более широкое распространение до сих пор ограничивалось их стоимостью и уровнем знаний, необходимых для их производства.

Чтобы преодолеть эти ограничения, профессор Файнберг и его коллеги потратили два года на изучение того, как напечатать модель человеческого сердца в натуральную величину, и придумали новый подход под названием FRESH. Этот метод команды начинается с использования данных, собранных в результате сканирования МРТ и других процессов сканирования, для создания точной 3D-модели.

 

Полученные рисунки затем печатаются с помощью иглы диаметром 250 микрон, которая выдавливает альгинат в изготовленный на заказ контейнер, достаточно большой, чтобы вместить полноразмерную копию. В конечном итоге было обнаружено, что новый метод команды позволяет получать более прочные модели, чем раньше, что потенциально позволяет использовать их более эффективно в качестве инструмента для обучения хирургов.

 

В процессе 3D-печати ученые используют альгинат в качестве основного материала для своих моделей, потому что он очень напоминает текстуру и механические свойства органической сердечной ткани. Более мягкие материалы, такие как TPU и силикон, деформируются под действием силы тяжести, что делает немного более жесткий альгинат более подходящей альтернативой.

 

После изготовления серии прототипов исследователи подвергали их последующей обработке в течение 12 часов в желатиновом контейнере, а затем поместили в инкубатор на ночь, чтобы удалить желатиновые подложки. Как только аддитивные модели сердца были готовы, Файнберг и его команда приступили к их тестированию, наблюдая, насколько можно растянуть полимер во время сшивания.

 

Результаты показали, что альгинат обладает достаточной прочностью на разрыв, чтобы его можно было использовать в моделях сердца хирургов. Затем исследователи приступили к использованию подхода FRESH для изготовления более мелких моделей, состоящих из коронарных артерий, заполненных модельной кровью, которые также могут быть полезны для обучения хирургов.

 

Интересно, что команда обнаружила, что кончик иглы экструдера был проблематичным, поскольку он должен был быть достаточно длинным, чтобы достигать дна ванны, а также поддерживать печатный материал. Чтобы решить эту проблему, была создана опорная втулка для иглы, напечатанная на 3D-принтере, которую можно было заменить и прикрепить к головке экструдера принтера по желанию.

 

Исследователи пришли к выводу, что их 3D-модель подходит в качестве хирургического учебного инструмента для отработки наложения швов, а также других операций, которые можно проводить на реальном человеческом сердце. В целом, проект может открыть другие возможности для исследований, и в будущем команда надеется, что их подход FRESH приведет к разработке инструмента для тестирования в биомедицине.

 

 

В июле 2020 года Университет Миннесоты разработал новые биочернила, которые помогли им создать функциональное бьющееся сердце, напечатанное на 3D-принтере, из биоматериала, содержащего клетки. Новый материал команды позволил им напечатать на 3D-принтере копию аорты с большим количеством камер, желудочков и большой толщиной клеточной стенки.

Ранее в этом году Техасский университет в Эль-Пасо (UTEP) и биомедицинские исследователи из Центра медицинских наук Техасского технического университета в Эль-Пасо (TTUHSC Эль-Пасо) работали вместе над 3D-печатью мини-сердец. Структуры с клетками были отправлены на Международную космическую станцию ​​(МКС), чтобы исследовать, как микрогравитация влияет на работу человеческого сердца.

 

Точно так же в 2018 году группа врачей из Университета Чжэнчжоу провела исследование на группе из 25 пациентов, чтобы подчеркнуть, как анатомические модели, напечатанные на 3D-принтере, могут быть использованы при операциях на сердце. В конечном итоге команда использовала компьютерную томографию для разработки модели для конкретного пациента, которую можно было напечатать на 3D-принтере в масштабе 1: 1.

 

Исследовательский документ, включающий первое в мире полноразмерное сердце, напечатанное на 3D-принтере, называется «FRESH 3D Bioprinting the Full Size Model of Human Heart». Соавторами его являются Эман Мирдамади, Джошуа В. Ташман, Дэниел Дж. Шиварски, Рашель Н. Пальческо и Адам В. Файнберг (Eman Mirdamadi, Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski, Rachelle N. Palchesko, Adam W. Feinberg).

 

Источник: https://3dprintingindustry.com/news/carnegie-researchers-develop-fresh-new-method-of-3d-bioprinting-fully-sized-human-heart-models-179829/