Что такое 3D-печать любого органа? — Популярная наука — 7 канал Красноярск

Что такое 3D-печать любого органа?


23 сентября 2020

Константин Кистерский, председатель Совета молодых ученых СФУ, инженер-исследователь Лаборатории биотехнологии новых материалов, разработчик технологии 3D-печати биорегенеративных костных имплантатов:

Что такое 3D-печать любого органа?

Это в первую очередь моделирование, то есть структура, которая имеется у нас в организме. В нашем случае мы моделируем структуру костной ткани. Здесь есть два разных подхода это моделировать для того, чтобы в последующем оставить имплантат непосредственно в организме человека, либо моделировать так, чтобы эта структура преобразилась, в последующем, в какую-либо функциональную. Допустим, с костями сейчас в основном используется подход, когда что-либо имплантируется и это остается на всю жизнь.

Мы же разрабатываем другую технологию, которая позволяет полноценно замещать костную ткань на определенное время, а дальше полимерные объекты, которые мы имплантировали, постепенно замещаются на костную ткань и полностью биодеградируют внутри, образовывая эту самую кость по макету.

Какой материал используется для печати?

Опять же, в основном на рынке используются биоинертные изделия, то есть те, которые организм никак не воспринимает и не видит. Другими словами, это что-то абсолютно невидимое для организма. Если же мы используем биоактивный материал, как в нашем случае, это биополимер, который синтезируется бактериями и разработкой этого полимера занимались аж с 70-х годов того столетия. И этим занимались мои научные руководительницы Шишацкая Екатерина Игоревна и Волова Татьяна Григорьевна.

На базе уже этих полимеров мы строим нашу технологию 3D печати костных имплантатов. Этот сам полимер — биодеградируемый, то есть он внутри организма разрушается, не оставляя никаких следов. Он биосовместимый, то есть не отторгается организмом и иммунная система на него никак не реагирует. Обладает остеоиндукцией, то есть запускает процесс костного восстановления и остеокондукцией — служит матрицей для построения костной ткани, макетом. И самое главное — в том числе он является биоактивным и позволяет образовывать костную ткань. Но ключевое даже не это, а то, что если подобрать скорость биодеградации этого полимера, разложения внутри, со скоростью нарастания костной ткани, мы можем получить эффект замещения, когда полимерный фрагмент постепенно преобразовывается в костную ткань, а нарастая она его просто утилизирует.

Проводилось ли тестирование этой технологии?

Конечно же, наши изделия были протестированы. В данном случае мы тестируем на животных. До этого тестировали на линиях клеток, это стандартные циклы и процедуры для тестирования биологических любых материалов для использования в практике.

Через сколько лет технологию можно будет применить на людях?

Любая медицинская технология проходит очень долгосрочное тестирование. Так называемые три стадии клинических исследований это, наверное, страшный сон для любого человека, который занимается разработкой новых изделий для медицины, потому что нужно протестировать на достаточно большой статистической базе. Протестировать это как на здоровых людях, чтобы посмотреть, каким образом ведет себя изделие или фармакологическое вещество внутри организма, здорового полноценного в модельном случае. И в то же время проводится на пациентах, которые, случайно, получили травму или столкнулись с какой-либо болезнью, чтобы оценить, какое действие оказывает вещество или в нашем случае изделие. И это все очень долго, потому что несколько лет нужно наблюдать за пациентом. В случае с костным восстановлением: само по себе костное восстановление может занимать несколько лет. И поэтому вся эта процедура до полноценного рабочего продукта, который можно будет просто заказать в клинике, займет не меньше 10-ти, а то и 15-ти лет.

Как в СФУ возникла идея создания 3D-печати кости?

Сама идея 3D-печати зародилась в Сибирском федеральном университете на базе уже существующих разработок биополимера. Плюс Сибирского федерального университета в том, что любая инициатива поддерживается. В частности, я никогда не видел 3D-принтер до того момента, когда мне в голову пришла идея и кафедра купила 3D-принтер. Мне просто поверили на слово, что это интересная задумка. Как принято в науке и в СФУ, все инициативы поддерживаются, потому что это проверка гипотезы и в принципе на основе этого строится наука. Меня в свое время СФУ увлек технологией, которая сейчас является прорывной, и у которой нет аналогов в России точно. Тем не менее, СФУ дает возможность давать что-то новое, фантазировать, а на основе фантазии выдвигать свои гипотезы, а главное — протестировать эти гипотезы. В частности, эта задумка купить 3D-принтер уже приносит свои плоды.

Этим мы занимаемся, и занимались до меня, потому что идея 3D печати пришла вместе со мной в институт, когда я поступил только на бакалавра. К 3 курсу мне пришла идея, а почему мы не печатаем? То есть можно же изготавливать из этого полимера не только универсальные изделия, а полноценно персонифицированные. И это абсолютно новый подход к лечению пациентов, это абсолютно новое качество жизни.

Самое главное, наверное, что здесь получают абсолютно новые изделия и сами хирурги. Потому что они получают возможность имплантировать изделие без каких-либо дополнительных операций. Если, до этого им приходилось изделие, в прямом смысле, допиливать на месте, гнуть под пациента, потому что они были универсальные, каждый из нас все равно обладает какими-то особенностями, то сейчас мы переходим к полной персонификации, на основе данных компьютерной томографии мы можем получить полностью трехмерный скан человеческого скелета и соответственно под него уже замоделировать.

Я вижу эту технологию идеальным образом, когда эта технология работает как BACK UP. То есть, как в телефоне у нас есть сохранённая копия и в случае чего, мы можем ей воспользоваться. Человек раз в сколько то лет приходит, делает снимок себя полностью, в случаи каких-либо травм просто восстанавливаем по этому снимку фрагмент кости, и пациент получает полностью функциональный орган, уже такой какой он был.

Где производится этот биополимер?

Сам полимер мы синтезируем здесь, в стенах Сибирского федерального университета. Синтезируем с помощью бактерий, они накапливают внутри себя полимер, и впоследствии мы его получаем с особой чистотой. Это тоже запатентованная технология, которая является «ноу-хау». Мы никому не рассказываем о том, как мы получаем такую степень чистоты, потому что у этой технологии нет аналогов в мире. И, соответственно, здесь самое важное — это чистота этого вещества, потому что если будут какие-либо примеси, организм будет сразу же видеть это вещество как патогенного агента. В нашем случае это считается крайне важно. Мы должны получать крайне чистое вещество.
Как раз это ключевое свойство позволяет использовать этот полимер в медицинских целях без каких-либо последствий.

Как 3D-модель совмещается с костным мозгом?

Вообще в случае хирургических операций — допустим, с так называемыми в народе трубчатыми костями — зачастую костный мозг полностью удаляется. То есть нет цели сохранять костный мозг, восстанавливать костную ткань. Это используется, например, при восстановлении бедренной кости, когда вбивается большой титановый гвоздь в эту часть, и полностью костный мозг отсутствует. Поэтому целью воссоздать структуру, чтобы, впоследствии, наполнить ее костным мозгом — нет. Но воссоздать структуру, которая будет очень похожа на ту структуру, которая была у кости, и по возможности дать организму ту самую структуру, которая бы заполнилась костным мозгом — это можно. И этим мы занимаемся.

В октябре я поеду на стажировку в Сколково. Там я буду рассчитывать физико-механические свойства наших имплантантов. Как раз подучусь этому, потому что быть биологом и в то же время быть хорошим математиком, который рассчитает физико-механическую структуру, — очень сложно. Поэтому этому нужно научиться у наших коллег, кто этим прекрасно владеет.

Если мы возьмём наше изделие, то оптимизировав его структуру, поверхность, — то есть внутреннее наполнение, то, какие у него будут стенки, какие мы создадим рёбра жесткости, — мы можем воссоздать структуру, очень похожую по свойствам на костную ткань. Чем ещё полимер и отличается от металла — это, например, тем, что он обладает некоторой эластичностью. Если мы ставим титановый имплантат, то он абсолютно неэластичен. А наши кости очень мягкие и пружинят. И соответственно, происходит биомеханическое расшатывание. Поэтому имплантат, который мы очень крепко закрепили на хирургическом столе, через какое-то время вышатывается.

В случае пластиковых изделий такого нет. Они более хрупкие, это да. Но мы же понимаем, что пациент, который пережил травму с переломом кости, не будет сейчас бежать марафон, делать сальто и так далее… Он все равно будет вести ограниченный образ жизни. Поэтому мы получаем возможность воссоздавать ту структуру, оптимизировать ее под человека и, самое главное, создавать внутри вот эту связанную пористость, для того чтобы в случае чего ткань могла прорасти внутрь.

Как долго нарастает костная ткань?

Скорость нарастания костной ткани зависит от многих факторов. Ключевые — это размер дефекта, потому что размеры дефекта больше 4-5 миллиметров в принципе не зарастают костной тканью. Здесь нужно также понимать важный момент: для того, чтобы запустить процесс восстановления, костная ткань должна очень близко прилегать друг к другу. Если у нас образуется какая-то пустота, она зачастую зарастает хрящевой тканью, потому что она растёт гораздо быстрее. Мы так устроены эволюционно, что нам бы побыстрее залечиться и дальше бежать за мамонтом. И, видимо, этот процесс не позволяет нам полноценно зарастить костную ткань. Здесь же мы можем создать вот эти маленькие фрагменты под каждый перелом, даже если не хватает настоящей костной ткани самого пациента.

Будут ли ограничения в движении у человека с такой костью?

Мы ставим цель создать структуру, которая позволит в повседневной жизни не испытывать дискомфорта. Мы вроде бы и делаем пластиковое изделие, которое по свойствам отличается от костной ткани, но мы создаём его таким, моделируем изначально в специальных программах, чтобы оно выдерживало ту самую физико-механическую нагрузку, которую испытывает пациент в повседневной жизни с небольшим запасом. Ну мало ли поскользнулся, ещё что-то. И это важно, это то самое свойство остеопротекции, то есть в какой-то степени защита костной ткани от каких-либо механических воздействий на момент зарастания.

Какое будущее у 3D-печати органов?

Рассуждая на тему: возможна ли печать органов, именно 3D печать каких-либо тканей, у меня всегда очень спорные мысли. Потому что-то, что предлагаем мы это изделие. Здесь ключевой фактор — сам материал, которому мы с помощью 3D печати придаем форму. В случае классического понимания 3D-печати органов, там уже идет изначально печать тканей, именно клетками в гидрогеле. Все наверняка разводили желе, вот если в этом желе замешать клетки, то получим структуру, похожую на ткань, но она не сможет функционировать, потому что желе быстро разваливается, она не сможет хорошо проводить воду, потому что у нее плохие процессы диффузии — проникновения жидкостей, поэтому у этой технологии много ограничений. Я считаю, чтобы напечатать любые органы кроме костной ткани, которые активные как последняя новость про сердце, кстати, никто не видел, как оно бьется больше 1-2 ударов, потому что наверняка оно разваливается. Мое видение, что будущее печати органов, оно не за классическими технологиями, которые сейчас развиваются, а за совсем другим витком. Когда придет другой материал вместо гидрогеля, который хорошо будет сшивать клетки и давать возможность функционировать и воспринимать механическую нагрузку, не разрушаясь, либо это будет совсем другой подход, пока еще не знаю какой, если узнаю, то, наверное, сразу же запатентую.

Можно ли напечатать зубы?

Очень часто на всех форумах, куда мы приезжаем, задают вопрос: «Можно ли печатать зубы?». Зубы — это очень сложный объект, потому что зубы состоят не из одного типа тканей, как в нашем случае, костная ткань везде одинаковая, она по структуре может быть разной: пористой или плотной, но она одинаковая с точки зрения клеток и тех структур, что их окружают. Что касается непосредственно зубов, это сложная структура, состоящая из множества слоев различных тканей. Чтобы напечатать полноценный функциональный зуб, где эмаль одна из самых твердых тканей, очень сложно воспроизвести в том виде, каком оно есть.

Я считаю, что наверняка, когда пойдет новый виток 3D-печати, мы получим технологию, которая даст возможность создавать ту самую «закладочку», откуда вырастают сами зубы, наверняка мы сможет этот «кармашек» воссоздать, ведь он более мягкий, он подготовлен, чтобы прорастать. После, его будут имплантировать человеку, и зуб будет вырастать заново. Но это мое фантастическое видение будущего, так как напечатать полноценный функциональный зуб, который подойдет человеку в режиме «здесь и сейчас» и имплантировать его в костную ткань верхней или нижней челюсти, это очень сложно. Это фантастический процесс.

Поэтому сейчас используется те самые аддитивные технологии, когда мы накладываем один материал друг на друга, в нашем случае, это та же самая пломба, то есть мы вроде как занимаемся современными методами, но уже длительный период.

Можно ли напечатать сердце?

Наверняка многим попадалась новость о том, что напечатали функциональное сердце. И показывают очень-очень маленькую пробирочку. Почему она маленькая? Потому что больше сантиметра в принципе напечатать на данный момент нельзя. Это, по сути, суспензия (очень густой раствор) клеток — за счёт этого они связаны в трехмерную структуру. Существует ряд проблем:

  1. Приток и отвод питательных веществ и веществ, которые отработала клетка — их увод, чтобы клетка не самоинтоксировалась;
  2. Структура, которая не может функционировать, потому что это все же суспензия. Если мы начнем ее мешать, то не будет той самой упорядоченной структуры, для которой и нужна 3D печать.
Фактически, это просто взвесь клеток, которая находится в очень густом растворе. Есть ещё ряд других ограничений, который не позволяют сейчас применять эту технологию, но выглядит это очень красиво.

Печать происходит прямо на человеке?
Важно понимать, что сама 3D-печать, в нашем случае, происходит не на пациенте. Пока его готовят к операции, в соседней аудитории, либо у нас в стенах Сибирского федерального университета будет происходить процесс печати под пациента.

Мы получаем объемный скан кости человека, запускаем процесс печати (абсолютно неважно где), стерильно упаковываем и отправляем на место, где будет проходить операция. Уже там хирург получает функциональный фрагмент, который остаётся только имплантировать.

Более того, мы планируем довести разработку до того, чтобы хирургу даже не нужно было думать, каким образом закрепить это изделие. Программа будет обсчитывать, с какой стороны нужно подвести крепеж на материал, каким образом установить изделие, в какой плоскости относительно костей человека. Хирургу остаётся только произвести надрез и имплантировать фрагмент в уже заготовленные места. Опять же, крепёжные изделия мы тоже планируем изготавливать непосредственно из нашего полимера, чтобы они тоже впоследствии превратились в костную ткань, чтобы не было никаких изделий, непохожих на ткань после полной реконструкции органа.

В чем преимущество именно этого полимера?

В подавляющем большинстве в случае реконструкции костного органа имплантируемые изделия — это металлические изделия, которые имеют ряд проблем. Вроде бы они называются биоинертными, но мы все помним, что с точки зрения химии любой металл имеет заряд, а с точки зрения биологии, любая клетка имеет на своей поверхности заряд. Когда мы в организм все же вводим такой более менее похожее на биоинертное вещество, оно все равно меняет структуру — баланс клеточный (мембранный) поэтому все равно идёт небольшое неправильное восприятие. Очень часто попадаются случаи даже, когда идёт отторжение металлического имплантата.

Это нормальная история, потому что помимо того, что может не сходиться заряд мембраны, у человека может также быть биомеханическое расшатывание, когда наши кости, обладая пластичностью, создают амортизационные какие-то свойства для нас, а металл ими не обладает и постепенно начинает вышатываться. Либо второй вариант, мы просто можем вырасти из этого имплантанта. Это особенно важно для детей, потому что они растут очень быстро, а металлическое изделие не растёт, оно не меняется. Поэтому в таких случаях только вторая операция, также вполне возможно под общим наркозом.

Либо другой вариант — это когда мы фиксируем кость ортезом снаружи, в этом случае мы ничего не имплантируем, мы стараемся сопоставить кости очень близко, но это невозможно, если кость раздроблена. Если у нас есть всего два фрагмента, которые нужно соединить, это можно сделать внешне, либо аппаратом Илизарова, который крепит кость с разных сторон. Но сделать так, чтобы закрепить множество фрагментов, это только внутренняя операция, только с разрезом.

Плюс нашей технологии: мы не будем подбирать каждый фрагмент по отдельности и по отдельности крепить его отдельным болтом, стяжкой и так каждую структуру, а сделаем целиковый фрагмент, который заменит все мелкие, которые были раздроблены, и сразу целиковый фрагмент будет имплантирован. Это гораздо меньше время проведения операции, это гораздо меньше подготовка, и в то же время результат полного восстановления костной ткани без каких либо следов имплантанта — это абсолютно то, чего нет сейчас на рынке.