Удалось 3D-напечатать трахею с помощью обыкновенного MakerBot PLA
Мы считали, что нужно долго ждать того дня, когда 3D-биопечать станет обычной практикой, но MakerBot и Институт медицинских исследований Файнштейна (The Feinstein Institute for Medical Research) доказали, что долго ждать не придется обратное. При помощи обычного принтера MakerBot, который работающегоет с PLA- нитями, исследователи смогли создать разработать специальную платформу, на которую культивировались живые клетки для создания имплантата трахеи. Результаты исследования были представлены исследователем института, Тоддом Гольдштейном, на 51-й ежегодной встрече Общества торакальных хирургов (51st Annual Meeting of The Society of Thoracic Surgeons) в Сан-Диего.
Восстановление узкой или слабой трахеи, в результатепосле рака, интубации или травмы, как правило, является сложным процессом, который осуществляется двумя наиболее популярными, но весьма ограниченными, методами. По этой причине, доктора Ли Смит и Дэвид Зелтсман из системы здравоохранения North Shore-LIJ, начали рассматривать процесс 3D-печати и тканевую инженерию как способ восстановления трахеи, полагая, что полноценное использование такой технологии будет происходить через десять-двадцать лет. Они обратились к Гольдштейну, кандидату в доктора философии, который работает в школе медицины Hofstra North Shore-LIJ, и Даниэлю А. Гранде, директору Научно-исследовательской ортопедической лаборатории при Институте Файнштейна, который посвятил прошлый год исследованию возможности восстановления и замены поврежденной трахеи с помощью 3D-печати и тканевой инженерии. И, всего за один месяц, Гольдштейн и Гранде смогли получить человеческую трахею посредством 3D-печати и инженерии.
Институту Файнштейна ранее уже удавалось культивировать хрящ путем связывания хондроцитов и питательных вещества для роста с помощью коллагена. Необходимо было создать из такого хряща полезную структуру. Однако,Но благодаря 3D- печати платформы из PLA на 3D-принтере MakerBot Replicator 2X Experimental, исследователям удалось сделать совершить значительный прорыв. Гольдштейн объясняет: "Создание трахеи — неизведанная территория. , ведь Оона должна быть достаточно жесткой, чтобы выдерживать кашель, чихание и другие сдвиги в давлении, но достаточно гибкой, чтобы позволить шееи свободно двигаться. Благодаря 3D-печати, мы смоглинам удалось построить 3D-печатную платформу, которую хирургиов могли сразу изучить, а затем у нас была возможность работать вместе в режиме реального времени, чтобы вносить изменения в дизайн".
Стоимость существующих био-принтеров очень высокая, она и варьируется от десятков до сотен тысяч долларов. Такую сумму Институт Файнштейна отказался тратить. 3D-принтеры, на которых основываются био-принтеры, могут стоить ниже $ 1000. Гольдштейн решил приспособить эту недорогую технологию для собственных нужд биопечати, взяв за основу MakerBot.
Гольдштейн говорит: "MakerBot был чрезвычайно полезным. Мы провели консультации касательно по оптимизации наших дизайн-файлов, чтобы напечатать их лучше, а также касательно по изменениюя 3D-принтера MakerBot Replicator 2X Experimental для печати с помощью PLA и биоматериалов. Мы нашли дизайны для модификации принтера Makerbot на сайте Thingiverse для печати PLA с одного экструдера и биоматериалами с другого. Мы 3D- напечатали необходимые детали с помощью другого нашего — 3D-принтера MakerBot Replicator Desktop, и использовали с целью модификации 3D - принтер MakerBot Replicator 2X Experimental —, так, что бы у нас была возможность лучше испытать наши идеи".
После решения проблемы с наличием био-принтера, Гольдштейн должен был определиться, какой материал будет станут использоваться для хирургических целей. Было решено, что обычный PLA может быть стерильным, так как он нагревается горячим концом принтера. Доктор Смит говорит: "Преимущество PLA заключается в том, что он используется во всех видах хирургических имплантированных приборах". Из второго экструдера принтер выделяет био-чернилао для хряща, разработанного институтом Файнштейна. Чернила Они заполняют пробелы в платформе PLA, превращаясь на в гель.
В результате печати, трубчатые части трахеи длиной в два дюйма помещают в био-реактор. Устройства, которые могут обеспечить рост и соответствующую температуру для живых клеток, стоят от $ 50 000 и до $ 150 000. Опять же, Гольдштейн обратился к своему 3D-принтеру и создал инкубатор самостоятельно. Доктор Смит утверждает, что возможность прототипирования, изучения и прикосновения, а затем редизайна в течение нескольких минут или нескольких часов, позволяет создать такую технологию. Если бы нам пришлось отправлять эти проекты в типографии и ждать по несколько недель , мы никогда бы не пришли к тому, где мы находимсячто имеем сегодня".
Трахея, после четырехнедельного пребывания в инкубаторе, является доказательством правильности концепции. Гольдштейн объясняет, как трахейный хрящ превратился в трахею: "Клетки пережили процесс 3D-печати, смогли продолжить разделение, и произвели внеклеточный матрикс". Следующий этап заключается в гораздо продолженных более длительных исследованиях и получении утверждения Комиссией по контролю за лекарствами и питательными веществами (FDA).
Доктор Смит считает, что такой этап может занять пять лет. Система здравоохранения North Shore-LIJ принимает, по крайней мере,как минимум одного пациента в год, которому не может быть оказана помощь посредством двух преобладающих методов восстановления трахеи. Однако он считает, что в будущем будет возможность использовать собственные клетки пациента и выращивают их на 3D-напечатанной платформе. Такой подход был бы особенно хорош для помощи детям. Смит говорит, что, в таких ситуациях необходимо неограниченное количество размеров и перестановок, которые могут понадобиться для восстановления проходимости дыхательных путей у ребенка.
Он продолжает: "Этот проект будет, вероятно, определять мою научную карьеру. То, что мы произвелисоздали, может заменять сегмент трахеи, мы будем постоянно находиться в процессе модификации и оптимизации, корректирования биоматериалов. 3D-печать и тканевая инженерия имеюет потенциал для замещения множества различных частей человеческого тела. Потенциал Возможности для создания запасных органов практически безграничныен".
Гольдштейн, который на данный момент является специалистом в сфере 3D- печати при Институте Файнштейна, сказал: "Тотй факт, что я могу создать часть органа, которая спасет жизнь ребенка, является для меня переломным моментом".
MakerBot продолжает поддерживать сотрудников Института Файнштейна, обеспечивая их новыми расходными материалами для исследований. Дженни Лоутон, генеральный директор MakerBot, заявил: "Исследования, которые проводятся в Институте Файнштейна — интересные и перспективные. Мы постоянно поражены тем, что создается с помощью 3D-принтеров. Понимание того, что 3D-принтер MakerBot Replicator сыграли свою роль в потенциальном медицинском прорыве, вдохновляет".
Доктор Гранде, который первоначально обратился к исследователям Института Файнштейна, ставит хороший заключительный штрих в этой истории, говоря: " «Вы помните фильм "Человек на шесть миллионов долларов "? Бионический человек — это не будущее, а уже настоящее. У нас есть возможность воплотить эту идеи в жизнь уже сейчас. Это очень интересно".
Для более технически подробного рассказа истории, посмотрите видео ниже:
