Людські органи - на 3D-принтері

[jack74]

Фантастика, як вже не раз, потрохи перетворюється в реальність сьогодення

Органи друку. Медики почали створювати органи для трансплантації на 3D-принтерах

Завдяки новим технологіям 3D-друку транспланталогія отримала нові можливості для розвитку

На 3D-принтерах лікарі готові друкувати не тільки вени і нерви, а й цілі органи для трансплантації, пише Павло Сивокінь у №17-18 журналу Корреспондент від 5 травня 2014 року.

У середині березня в британському Centre for Applied Reconstructive Technologies in Surgery була проведена незвичайна операція. Пацієнту Стівену Пауеру зробили лицьову реконструкцію після аварії.

Але цього разу імплантати виготовляли не тільки з титану, як це було раніше, а й з власних клітин Пауера – за допомогою 3D-принтерів. У ході операції лікарі постійно створювали моделі черепа пацієнта методом тривимірного друку, щоб зрозуміти, куди найкраще приєднати нові кістки.

«Частина замінених частин обличчя зроблена із заліза, але деякі деталі ми робили зі стовбурових клітин самого пацієнта. Так виявилося швидше, та й метал не буде відторгатися», – розповів Корреспонденту щелепно-лицьовий хірург Адріан Шугар, який замінював Пауеру виличні кістки. За його словами, одна модель черепа пацієнта коштувала не більше $ 1.000 – це відносно недорого, зате істотно спрощує роботу хірурга. Щоб створити біологічні кістки, знадобилося кілька тижнів.

Операція стала підтвердженням того, що тривимірні технології в медицині стають все більш затребуваними. І розвиваються вони відразу у двох напрямках. По-перше, це сканування і випуск 3D-моделей для того, щоб лікар перед операцією зміг практикуватися і точно знав, які пошкодження отримала людина.

По-друге, це створення штучних кісток, кровоносних судин і органів з клітин пацієнта. «Зрозуміло, що надрукувати печінку ми поки що не в змозі багато в чому через те, що поки не можемо точно відтворити структуру складних тканин», – каже Паоло Маккіаріні, провідний світовий фахівець у галузі регенеративної медицини.

Він зазначає, що технічно принтери вже здатні це зробити, але спершу потрібно розуміти, яку біологічну систему лікарі хочуть отримати, – щоб закласти в комп'ютер потрібну програму.

Зараз у кількох дослідницьких клініках США починається програма з відтворення нервів, вен і трахей з людських клітин. За даними Oxford Performance Materials, в найближчі роки понад 450 тис. пацієнтів по всьому світу отримають надруковані органи. Вони краще підійдуть хворим, ніж донорські, оскільки повністю виключають ризик відторгнення. Американський уряд вже заявив, що готове інвестувати в цю сферу понад $ 2 млрд за наступні три роки, щоб до 2020-го отримати першу біонічну частину тіла – серце.

Якщо американські вчені доможуться свого, то дуже скоро 3D-принтери стануть джерелом отримання людських органів і здійснять переворот в медицині.

Погляд всередину

У медицині 3D-принтери почали використовувати ще кілька років тому – переважно в ортопедії. За допомогою МРТ-знімків із пластику друкували точні копії переломів, щоб лікарі навчалися на цих моделях, а пізніше стали робити моделі органів.

У середині квітня японські вчені представили точну копію людської печінки із пластику, де були відтворені всі її судини і нерви. Так само була надрукована і пухлина. За цим зразком лікарі визначили, як саме потрібно видаляти пухлину, щоб не пошкодити функції самого органу.

«Для хірурга важливо представити форму й обриси пухлини у трьох вимірах. Щоб до операції зрозуміти, з якого боку слід до неї підійти і як діяти», – пояснює Макі Сагумото, хірург з Університету Кобе. За його словами, виробництво такої моделі коштувало $ 1.500 і дозволило скоротити підготовку до видалення пухлини вдвічі.

Відповідні досліди зі створення точних моделей проводяться також в Євросоюзі. У Еuropean School of Urology в Барселоні збираються таким самим способом створити пластиковий аналог нирки і серця, щоб зрозуміти, як їх краще лікувати. Там також упевнені, що за 10-15 років більшість складних операцій виконуватимуться безпосередньо цим методом – сканування, виробництво моделей, їхнє вивчення і тільки потім робота з органом.

Тим більше що за останні роки вартість професійних 3D-принтерів впала майже на 15 %. Зараз за один такий агрегат лікарня повинна заплатити від $ 250 до $ 500 тис.

Ще одним напрямком у друці може стати розробка індивідуальних протезів і навіть гіпсових пов'язок, які більш щільно прилягають до тіла пацієнта і забезпечують кращу фіксацію переломів. У США збираються почати випуск індивідуальних гіпсів вже наступного року.

Друге серце

Але головний напрямок 3D-друку, на якому сфокусовані вчені, – отримання нових органів з клітин пацієнта. «Наші успіхи у створенні принтерами кісток і хрящів підвели нас до роботи з більш складними частинами тіла людини, які беруть участь у метаболізмі або приймають сенсорні сигнали», – каже Корреспонденту Глен Грін з Мічиганського університету.

У 2013 році Грін уперше пересадив дворічній пацієнтці штучну трахею, зроблену з пластикових волокон і її клітин. І продемонстрував, що трансплантація таких об'єктів можлива і вони приживаються в тілі людини.

Зараз процес друку виглядає приблизно таким чином: у хворого беруть частину клітин за допомогою біопсій, потім їх поміщають у чашку Петрі для росту і розмноження. Нарешті, клітини завантажують у принтер, який налаштований на розробку певної тканини. А програма визначає, в якому поєднанні їх збирати.

На створення одного фрагмента печінки йде приблизно 45 хвилин. Кістки і хрящі робити легше. У Корнуольському університеті змогли за кілька днів надрукувати життєздатну копію міжхребцевого диска людини і навіть пересадити її пацієнту. Через кілька місяців цей диск став частиною хребта.

Таким самим чином цього року американська компанія Organovo відтворила частину печінки завтовшки 500 мікрон, що склало 20 клітинних шарів. Тканина змогла самостійно жити протягом 45 днів і виконувати всі свої функції. Зараз у компанії хочуть розпочати випуск тканин серця, але вже в більшому масштабі.

А Вірджинський університет заявив про готовність виплатити $ 1 млн компанії, яка найближчим часом зможе створити людське серце. Зараз найближче до цього перебуває американський Cardiovascular Innovations Institute, фахівці якого вже розробляють програму формування молекул серцевого м'яза.

Хоча винагорода поки що не затребувана, дослідницькі компанії вже знайшли спосіб отримувати прибуток навіть від частин органів. Фрагмент печінки цього року почнуть використовувати для перевірки безпеки лікарських препаратів. На рік, за даними US Food and Drug Administration, фармкомпанії витрачають на такі перевірки до $ 5 млрд, а друк тканин може значно здешевити цей процес.

Іншим проектом стало дослідження армією США штучно створеної шкіри. Тільки цього року в нього інвестують $ 75 млн. Щоб зрозуміти, як краще лікувати опіки та хімічні пошкодження шкіри, досліди проводитимуть над її зразками.

На думку Маккіаріні, до 2020 року понад 120 тис. осіб, які тільки у США очікують органів для трансплантації, почнуть отримувати їх не від донорів, а від машин. Технологія друку повинна просунутися настільки, щоб створювати штучні очі і серця. Вже зараз в Прінстонському університеті готовий прототип біонічного вуха, вирощеного з живих клітин. Воно містить антену, яку можна підключити до слухового нерву.

На заміну

Частини тіла й органи, які в перспективі можуть бути надруковані на 3D-принтерах, та їхні характеристики

Назва органу Час друку, Приблизна вартість Статус досліджень

тижні органу, $ тис

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Міжхребетні хрящі 2-4 10-15 Триває робота з впровадження масового друку

Малі кістки черепу 1-2 10-30 Триває робота з впровадження масового друку

Печінка 3-10 від 70 Створені зразки тканин, тривають експерименти

Нирка 2-8 від 45 Створені зразки тканин, тривають експерименти

Око від 4 від 80 Тривають експерименти

Серце від 5 від 100 Тривають експерименти

Дані Visiongain

3D-печать органов: революция в медицине?

Илья Хель

18 Августа 2013

Устройство размером с кофейную машину живет своей жизнью. Штуковина наполнена не свежим кофе, а непрозрачным стерильным гелем. Роботизированная конечность работает быстро: парит, снижается, а после выдавливает субстанцию из пары шприцов на более шести чашек Петри короткими быстрыми движениями. Вскоре в каждом сосуде образуется три маленьких шестиугольника. Через несколько минут они вырастают до сотовых конструкций размером с ноготь. Никто не будет пить латте в ближайшее время.

Добро пожаловать в эпоху биопечати, когда машины, построенные нами, строят кусочки нас.

Эти клетки — печень человека, говорит Шарон Преснелл, главный технический директор Organovo — или его подразделений. Крошечные шедевры биомедицинской инженерии почти идентичны образцам ткани реальной человеческой печени и состоят из реальных человеческих клеток. Но вместо того, чтобы выращивать их, ученые в блестящей огромной штаб-квартире Organovo печатают их, словно документ. Или, если быть точнее, они печатают точный макет.

За два десятилетия 3D-печать выросла из производственного нишевого процесса в 2,7-миллиардную (в долларах) индустрию, ответственную за изготовление всевозможных вещей: игрушек, часов, частей самолетов, еды. Теперь ученые работают над применением аналогичной технологии 3D-печати в сфере медицины, причем с ошеломляющей быстротой. Но совсем другое дело, да и куда более легкое, печатать из пластика, металла или шоколада, а не из живых клеток.

«Это невероятно сложно, но мы живем в переломный момент», — говорит Дин Камен, основатель DEKA Research & Development, на счету которого более 440 патентов, преимущественно из сферы медицинских устройств. В лабораториях по всему миру биоинженеры начали печатать части тела: клапаны сердца,

уши

, искусственные кости, суставы, мениски, сосудистые трубки и кожу для пересадки.

«Если у вас есть циркуль и прямоугольник, все что вы можете нарисовать — квадрат или круг», — говорит Камен. — «Когда вы получаете лучшие инструменты, вы начинаете думать иначе. Сегодня у нас есть возможность играть на таком уровне, на каком мы не могли делать это прежде».

С 2008 по 2011 год число научных работ по биопечати выросло втрое. Инвестиции увеличились. С 2007 года национальные американские институты здоровья получили грантов на 600 000 долларов. А в прошлом году Organovo привлекла 24,7 миллиона долларов в капитал.

Отрасль строится на трех китах: на более сложных принтерах, на достижениях в области регенеративной медицины и программном обеспечении CAD. Чтобы напечатать ткань печени в Organovo, Вивьен Горген, 25-летний системный инженер просто нажимает мышкой «запустить программу». Собранная из «сот» ткань печени прошла длинный путь и еще более длинный путь ей предстоит, но значительный шаг в этом направлении уже сделан.

«Нажать на кнопку и получить целый орган из коробки. Я верю, что это случится на моем веку», — говорит Преснелл. — «Не могу дождаться этого момента».

* * *

Самые первые биопринтеры не были дорогими или плохими. Они напоминали дешевые настольные принтеры, потому что, по сути, они таковыми и были. В 2000 году биоинженер Томас Боланд, самопровозглашенный «дедушка биопечати», положил глаз на старый принтер Lexmark в своей лаборатории в университете Клемсона. Ученые уже модифицировали струйные принтеры для печати фрагментов ДНК в рамках изучения генома. И если струйный принтер может напечатать гены, подумал Боланд, значит то же оборудование можно приспособить для печати биоматериалов. В конце концов, мельчайшая клетка человека по размерам около 10 микрометров, что примерно равно стандартному размеру капли чернил в принтере.

Боланд опустошил картридж Lexmark и наполнил его коллагеном. Потом приклеил тонкий черный слой силикона на чистую бумагу и подал в принтер. Потом открыт документ Word на компьютере, набрал свои инициалы и распечатал. На бумаге четко отпечатались буквы TB.

Штаб-квартира Organovo в Сан-Диего

В 2000 году Боланд и его команда перенастроили Hewlett-Packard DeskJet 550C для печати бактериями кишечной палочки. После этого они перешли к более крупным клеткам млекопитающих. После печати 90 % клеток остаются жизнеспособными, а значит продукт полезен, а не просто интересен. В 2003 году Боланд зарегистрировал первый патент на печать клеток.

В то время как Боланд в лаборатории трудился над проблемами биопечати, другие инженеры пытались применить 3D-принтеры в других медицинских отраслях. Они напечатали костные трансплантаты из керамики, зубные коронки из фарфора, слуховые аппараты из акрила и протезы из полимера. У этих инженеров было преимущество, которого не было у Боланда: они печатали в трех измерениях, а не в двух.

Поэтому Боланд и другие пионеры биопечати модифицировали свои принтеры. Они отключили механизмы подачи бумаги и добавили пошаговые элеваторные платформы. Платформа могла двигаться вниз и вверх по оси Z. Печатали один слой, опускали платформу и печатали другой слой. Очень быстро биоинженеры перешли от рисования на плоском холсте к построению скульптур.

«Это было похоже на волшебство», — рассказал Джеймс Ю, исследователь института регенеративной медицины Wake Forest, разрабатывающий портативный принтер для создания печатной кожи пострадавшим от ожогов. — «Каждая рана отличается глубиной и они все разные. Нанеся области на карту, вы можете определить, сколько слоев клеток необходимо для подкожной ткани, равно как и для эпителия. С принтером вы можете доставить клетки более точно и аккуратно».

Ученые могут печатать, используя разные типы «чернил». Корнельский инженер

Ход Липсон

предложил другой тип ткани: хрящи. «Пространственный контроль размещения клеток никогда не был возможен в такой степени», — говорит он. — «Это открывает новые возможности».

Липсон и его коллеги решили напечатать мениск, C-форменный кусочек хряща, который соединяет колено и другие суставы. Команда использована CT-сканы для создания CAD-файла мениска и экстрагировала клетки из овцы, чтобы создать идентичный мениск.

Напечатанное ухо

Хотя первый мениск Липсона выглядел многообещающе, когда он показал его хирургам, которые оперируют колени, они сказали, что он слишком слаб, чтобы противостоять сопротивлению организма.

«Поскольку я не так близок к биологии, я думал просто: мы берем клетки, кладем их в правильное место, выращиваем и получаем мениск», — говорит Липсон. — «Но сделать мениск сложнее, чем просто выложить клетки. Настоящие мениски бьются каждый день, постоянно, двигаются и становятся жесткими. Тот факт, что они стукаются, очень важен в формировании мениска».

Принтер, который может задействовать нужные чернила, это только первый шаг. У клеток есть специфические требования в зависимости от того, какой тканью им предстоит стать. В случае мениска, возможно, придется создавать биореактор, который будет простукивать мениск или же использовать нагревание, свет или импульсы для того, чтобы ткани формировались в условиях стресса.

«В некоторых тканях, даже в простых, мы не знаем, что именно заставляет ткань формироваться должным образом. Вы можете собрать клетки сердечной ткани вместе, но где кнопка пуска?».

* * *

Большинство органов — сложные структуры с десятками типов клеток и сложных сосудов, эволюционировавших для выполнения специальных задач. Одна только печень выполняет более 500 функций. Как и машины, тела изнашиваются с течением времени, иногда совершенно неожиданно. Даже при том, что мы можем пользоваться благами трансплантации, донорские органы не могут идти в ногу со спросом. Поэтому как только инженеры-механики начали делать 3D-принтеры, инженеры по ткани стали пытаться вырастить органы в лабораториях.

Начали они с помощью выдавливания клеток в чашке Петри вручную. Потом, во главе с Энтони Атала в институте Wake Forest, исследователи начали высаживать эти клетки на искусственные леса. Леса, сделанные из биоразлагаемых полимеров или коллагена, обеспечивали временную матрицу для клеток, которые могли цепляться за них до тех пор, пока не стали бы достаточно прочными, чтобы держаться самостоятельно. Система работала замечательно: Атала успешно имплантировал первые органы, выращенные в лаборатории, семерым пациентам в Бостонском детском госпитале в период между 1999 и 2001 годами.

Вскоре, при помощи 3D-принтеров, леса стали строиться более качественно. Но ручное размещение клеток на них осталось трудоемким и сложным процессом. Мочевой пузырь можно сделать из двух типов клеток; для почек понадобится тридцать.

«При попытке внедрить сложные ткани, нет никакого способа точного размещения клеток таким образом, чтобы они стали родными тканевыми структурами», — говорит Ю. — «Руки — плохой способ доставки клеток».

Печать почек

В Wake Forest группы Ю и Атала построили биопринтеры, которые работают быстрее, чем модифицированные печатные принтеры, и могут работать с большим количеством типов клеток, в том числе со стволовыми, мускульными и сосудистыми. Они также разработали один принтер, который одним махом может создавать сложные леса; сегодня он используется для создания сложных ушей, носов и костей.

Леса обеспечивают тканям механическую стабильность и могут быть использованы для доставки генов и факторов роста в развивающиеся клетки. Но, как и в случае с полимерами, они могут доставлять чужеродные материалы в организм и вызывать воспаление. Типы клеток по-разному реагируют на материал лесов, и чем сложнее орган, тем сложнее будет его рамка — и тем сложнее предсказать, как будут мигрировать клетки вокруг него. В результате, не все ученые считают, что леса необходимы, в том числе Габор Форгакс, соучредитель Organovo и биолог в Миссурийском университете.

План Форгакса заключается в том, чтобы напечатать орган, состоящий исключительно из живых человеческих тканей, и дать им самоорганизоваться. «Магия», — говорит он, — «начинается после того, как закончится печать». В этом и заключается самое большое заблуждение о биопечати. Большинство людей думают, что конечный продукт — свеженапечатанный клеточный материал — еще не готов.

Как только исследователи разберутся с сосудистой системой, печатные органы станут лишь вопросом времени. В Миссури Форгакс изучал морфогенез — процесс, который определяет, как клетки образуют органы во время эмбрионального развития. Собирая клеточные совокупности — крошечные сферы с тысячами клеток — в круг, сотрудники лаборатории наблюдают за тем, как они сливаются и формируют новую структуру. Совокупности работают вместе для достижения одной цели. Каскад биологических связей растет, и клетки сливаются в крупную структуру.

Грант от Национального научного фонда позволил Форгаксу и его команде экспериментировать с биопринтерами, вместо того чтобы собирать совокупности вручную. Технология трансформировала исследования. «То, на что у нас уходили дни, теперь можно сделать в две минуты», — говорит он. Используя биопринтер, Форгакс убедился в том, что совокупности, содержащие разные типы клеток, отлично работают и без вмешательства человека.

Форгакс говорит, что инженерам не стоит размещать клетки там, где они должны быть в готовых органах. Они должны заложить основу из элементов таким образом, чтобы орган начал формироваться, как в эмбрионе. «Клетки знают, что делать, потому что они делали это в течение миллионов лет. Они узнали правила игры в ходе эволюции».

Другой ключевой момент лежит в распечатке клеточных агрегатов. «Вы никогда не построите расширенную биологическую структуру, орган или ткань, угнетая отдельные клетки», — говорит Форгакс. — «Ткань отлично организована, в соответствии с очень строгими правилами, в клеточные множества. Полумиллиметровая совокупность — это уже маленький кусочек ткани. Эти кусочки связываются вместе и обмениваются информацией».

Печать кровяных сосудов

С технической точки зрения, уже представляется возможным создать ткань, укладывая слои ячеек на оси Z. Ученые Organovo уже сделали это с клетками сердца; и когда они сплавились, они бились в унисон, как сердце. Биологически, однако, остается серьезное препятствие: орган должен жить. Ему нужна сеть кровяных сосудов, которые будут поставлять питательные вещества и кислород. Без этих основных функций клетки зачахнут и умрут.

Ученые Organovo сделали относительно надежную сосудистую систему путем печати наполнителя, вроде гидрогеля, между клетками ткани. Наполнитель позже извлекается, оставляя пустые каналы для клеток крови. Ибрагим Озболат, инженер-механик из университета Айовы, разработал биопринтер, который использует различные орудия в тандеме, чтобы одновременно создавать сосудистую сеть и клеточные структуры.

«Основная задача — это создать очень маленькие капилляры», — волосовидные кровеносные сосуды, связывающие крупные сосуды с клетками. Он предполагает, что этот вопрос разрешится в течение ближайших двух лет. Как только ученые смогут увеличивать размеры и сложность сосудистой системы, создать из биологических частей целый орган станет лишь вопросов времени.

* * *

Актер Брюс Уиллис пялится на посетителей, красуясь на борту машины в огромной пустой комнате Organovo. Несколько из 10 биопринтеров компании получили имена персонажей из фильма «Пятый элемент» 1997 года. В нескольких шагах от «Далласа» размером с полхолодильника находятся биопринтеры «Руби» и «Зорг», украшенные фотографиями Криса Такера и Гэри Олдмана, соответственно.

В фильме, который отражает 23 век, автоматизированная установка с двумя манипуляторами использует клетки отрубленной человеческой руки, чтобы напечатать и реанимировать целую женщину. Наука проходит долгий путь, чтобы хотя бы отдаленно приблизиться к этому подвигу, и вполне может никогда не дойти до конца. Однако важной вехой стала разработка подходящих инструментов, с помощью которых можно визуализировать и смоделировать весь процесс.

Напечатанные образцы кожи

Чего не хватает биопринтерам — и что обеспечит следующий прорыв в этой сфере — сложное биологическое программное обеспечение. В случае с неодушевленным объектом — кофейной чашкой — 3D-сканер может создать CAD-файл в минуту и загрузить его в 3D-принтер. Но в медицине нет аналога этого сканера.

«МРТ не покажет вам, где находятся клетки», — говорит Липсон. — «Мы буквально бредем в темноте по чертежам. Это полбеды. Нет никакого «фотошопа» для перемещения клеток. И это не совпадение. Для этого нужно программное обеспечение. Вы не можете сделать программную модель печени. Это сделать сложнее, чем модель реактивного самолета».

Почувствовав, куда дует ветер, Autodesk объединилась с Organovo для разработки CAD-программ, которые могут быть применимы в биопечати. «Область, которую мы исследуем, необязательно будет иметь под собой экономическую базу, но она может появиться в ближайшие годы», — говорит Карлос Ольгвин, глава Bio/Nano/Programmable Matter Group Autodesk.

В качестве первого шага, Autodesk планирует создать современную CAD-оболочку, чтобы поспособствовать процессу конструирования. В конце концов, целью компании является интеграция математического инструмента, который будет описывать самосборку и другие клеточные процессы в программном обеспечении биопечати. В апреле команда Ольгвина выпустила Project Cyborg, веб-ориентированную платформу, которая будет заниматься молекулярным моделированием на наноуровне, а также симулировать клеточную биологию. В конечном счете, исследователи хотят быть в состоянии проектировать клеточные совокупности на цифровом уровне, нажимая Enter, и спустя секунды видеть, что нужно изменить, а что останется в конце.

«В очень короткие сроки мы собираемся значительно сократить время, которое в среднем уходит на процесс биопечати. Но в среднесрочной перспективе нас ждут куда более интересные вещи».

Строительные блоки

Первым биологическим продуктом Organovo будет ткань печени для тестирования препаратов. Каждый год фармацевтическая промышленность тратит на это более 39 миллиардов долларов. По статистике, токсическое поражение печени является наиболее распространенной причиной того, почему лекарства не проходят клинические испытания, а также уходят с рынка даже после одобрения. До сих пор нет никаких надежных способов оценить то, как препарат влияет на печень человека, пока он не будет принят — и испытания на животных особо не помогут.

«Есть несколько довольно существенных различий между животными вроде крыс и людей», — говорит Преснелл. — «Вы можете получить прекрасный ответ от крысы. А в реальности людям будет не очень хорошо».

Биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями, чтобы хирурги могли практиковаться. В Стэнфорде исследователи пытались обойти эту проблему путем селекции мышей с печенью из человеческих клеток. Исследования показали, что мыши помогли выяснить, как хорошо препарат для лечения гепатита C будет усваиваться людьми. Ученые из MIT построили миниатюрную модель печени, используя тот же способ литографии, который помогает наложить медные провода на компьютерные чипы. Проблема в том, что такие структуры созданы из нескольких толстых слоев клеток, что ограничивает сложность вопросов, на которые могут ответить ученые.

В следующем году Organovo начнет продажу образцов печени — пластинок наподобие чашки Петри, содержащих клетки печени, организованные в трехмерные структуры от 200 до 500 микрон толщиной (в 2-5 раз толще человеческого волоса). Потенциал рынка огромен. Каждый препарат, который принимается внутрь, вне зависимости от того, болеутоляющий он, противовоспалительный или новое лекарство от рака, должен пройти тест на токсичность для печени.

«Обычно люди делают так: очищают химикаты, принимают препарат, добавляют его к клеткам, смотрят на реакцию, анализируют, возможно, дают животным, а потом уже людям», — говорит Ли Кронин, химик из университета Глазго. — «Вместо того, чтобы делать образцы из пластика, мы распечатаем живой кусочек печени и посмотрим за реакцией в реальном времени. Вот это будет интересно».

Напечатанные кости

Если биопечатные образцы будут помогать фармацевтам получать лучшие данные, ускорится вся лекарственная промышленность. Более того, уменьшится потребность в испытаниях на животных.

Целью Озболата в университете Айовы является печать ткани поджелудочной железы для лечения. Она может состоять только из эндокринных клеток, способных продуцировать инсулин. Будучи имплантированной людям, такая ткань могла бы регулировать уровень сахара в крови и лечить диабет I типа.

Биопринтеры могут оказаться бесценными для медицинских школ. Студенты тренируются на трупах, но когда речь доходит до процедур вроде вырезания раковых опухолей, трупы особо не помогут. Вместо того чтобы печатать здоровую ткань, биопринтеры могли бы создавать органы с опухолями или другими дефектами, подходящими под конкретные задачи практикующихся хирургов. На них же хирурги могли бы практиковаться перед походом в операционную.

Вообще, трансплантация рабочих органов могла бы полностью изменить положение дел на медицинском поприще. Изменить жизнь самым коренным образом. В настоящее время в мире есть огромное количество людей, стоящих в очереди по поиску донора. И очередь постоянно растет. И дело не в том, что нет спроса. Дело в том, что найти подходящего партнера сложно. Печатные органы, выращенные из клеток собственного тела пациента, могли бы решить этот вопрос идеально.

Возможно, говорят ученые, биопринтеры могли бы позволить создание бионических органов — частей тела, которые не просто смогут восстановить, но и расширить способности человека. С этой целью исследователи из Принстонского университета экспериментируют с электроникой в интеграции с биопечатью. Ранее ученые уже создали ухо, включающее наночастицы серебра, образующие спиральную антенну. Такая система может подобрать радиочастоты за пределами человеческого слуха. Аналогичным образом инженеры могут внедрить и другой полезный прибор в любую часть человеческого тела — от кардиостимулятора до счетчика пульса.

Биопринтеры уже демонстрируют замечательное мастерство биологии и инженерии. Машина просто стала еще одним инструментом, который помогает человеку. Принтер может внести посильную лепту. Может поставить куски человека на место. Но, как отмечал Форгакс, никто не знает, почему эти куски делают то, что делают. Только жизнь знает. Пока что.

[jack74]

3D-печать органов человека

Мы публикуем интервью В.А. Миронова, изобретателя технологии печати органов, запатентованной в США, и теперь развивающий это направление науки в московском проекте Инвитро.

Это из новой лаборатории 3D-печати органов. Спереди внушительный микроскоп, дальше видно двух медицинских инженеров за AutoCAD – делают макет площадки для формирования тканевых сфероидов.

Тут недавно открылась лаборатория 3D-биопринтинга органов (проект Инвитро). Вокруг неё творится какая-то лютая феерия непонимания того, что именно делается. В общем, хоть я и не микробиолог, но мне стало интересно. Я пробился до разработчика — В.А. Миронова. Именно он изобрёл технологию печати органов и запатентовал это в США, участвовал в разработке уже трех модификаций биопринтеров, и именно он «главный по науке» в новой лаборатории в Москве:

В.А. Миронов (M.D., Ph.D., профессор с 20-летним опытом в микробиологии, в частности, на границе с IT) — в процессе полуторачасового объяснения мне сути технологии изрисовал кучу бумаги.

В двух словах о печати он рассказать не смог, потому что сначала надо понять некоторую историю вопроса. Например, почему пришлось отбросить светлую идею растить эмбриона без головы в суррогатной матери, а затем вынимать из него почку и помещать её в биораставор для ускоренного созревания.

А пока главное. Не торопитесь пить всё что горит: до новой печени ещё очень далеко. Поехали.

Эволюция методов

Итак, сначала была генная терапия: пациенту вводились соответствующие комплексы. Выделялись определённые клетки, в них вводились нужные гены, затем клетки размещались в организме человека. Не хватало инсулина – вот ген, который продуцирует его создание. Берём клеточный комплекс, модифицируем, вкалываем пациенту. Идея – отличная, правда с одним коренным недостатком: пациент вылечивается сразу, и покупать после операции ничего не надо. То есть догадайтесь, кому это было поперёк горла. Дело шло сложно, а потом один из пациентов умер – и началась характерная для США волна судебных исков и запретов, в результате чего исследования пришлось свернуть. В итоге – метод есть, но толком не оттестирован.

Следующим трендом стала клеточная терапия — использование эмбриональных стволовых клеток. Метод отличный: берутся «универсальные» клетки, которые могут быть развиты до любых необходимых пациенту. Проблема в том, что чтобы их где-то получить, нужен эмбрион. Эмбрион в процессе получения клеток, очевидно, расходуется. А это уже морально-этическая проблема, которая вызвала запрет использования таких клеток.

Дальше — тканевая инженерия – это когда вы берёте основу, кладёте на неё клетки, засовываете всё это в биореактор, на выходе получаете результат (орган), который нужен пациенту. Как протез, только живой. Вот здесь важный момент: основное отличие от протеза в том, что протез изначально из неорганики, и вряд ли когда-нибудь встроится в организм «как родной». Деревянную ногу не почешешь.

Методы тканевой инженерии бывают каркасные – когда используется выщелоченный (обесклеченный) трупный орган, который затем «заселяется» клетками пациента. Другие научные группы пробовали работать со свиными белковыми каркасами органов (доноры-люди не нужны, зато во весь рост встаёт иммуносовместимость). Каркасы бывают искусственные – из разных материалов, некоторые научные группы экспериментировали даже с сахаром.

Сам Миронов практикует бескаркасную технологию (с использованием гидрогеля в качестве основы). В его методе основа-полимер быстро деградирует и в итоге остаётся только клеточный материал. Проще говоря, сначала вставляется каркас из неограники с размещёнными клетками, а затем каркас «растворяется», и его функции берут на себя сами клетки уже подросшего органа. Для каркасов используется тот же материал, что для хирургических швов: он легко и просто деградирует в организме человека.

Тут главный вопрос – почему нужна именно 3D-печать. Чтобы это понять, давайте закопаемся ещё чуть глубже в имеющиеся методы тканевой инженерии.

Приближаемся к цели

Вообще, идея вставлять в человека заранее выращенный органический орган – отличная. Посмотрим на три варианта развития технологии:

1. Вы берёте каркас из неорганики, засеиваете его клетками – и получаете готовый орган. Метод грубый, но работающий. Именно про него речь в большинстве тех случаев, когда говорят «мы напечатали орган». Проблема в том, что где-то нужно взять «стройматериал» — сами клетки. А если они есть, то глупо использовать какой-то внешний каркас, когда есть возможность просто собрать орган из них. Но самая болезненная проблема – неполная эндотелизация. Например, для бронхов, сделанных так, уровень — около 70%. Это значит, что поверхностные сосуды тромбогенны – вылечивая пациента, вы сразу же привносите ему новую болезнь. Дальше он должен жить на гепарине или других препаратах, либо ждать, когда образуется тромб и эмболия. А здесь уже с нетерпением ждут юристы США, которые готовы отыграть по старому сценарию. И проблема эндотелизации пока не решена. Возможный вариант – выделение клеток-предшественников костного мозга с помощью мобилизации специальными препаратами и хомингом на органе, но это пока очень далёкая от практики фантазия.
   
2. Второй метод крайне оригинален и очень радует своей циничностью. Берём клетку (фибробласт) пациента, добавляем 4 гена. Кладём полученную клетку в бластоцисту (зародыша животного) и начинаем выращивать зверушку. Получается, например, свинья с человеческой поджелудочной железой – так называемая химера. Орган полностью «родной», только вся инфраструктура вокруг – кровеносные сосуды, ткани и так далее – от свиньи. А они будут отторгаться. Но ничего. Мы берём свинью, вырезаем нужный орган (свинья при этом полностью расходуется), а затем убираем с помощью специальной обработки все свиные ткани – получается как бы органический каркас органа, который можно использовать для выращивания нового. Некоторые исследователи пошли дальше и предложили следующий лафхак: давайте заменим свинью на суррогатную мать. Тут как: кроме 4 генов в клетку добавляется ещё один, отвечающий за ацефалию (отсутствие головы). Нанимается суррогатная мать, которая вынашивает нашего общего друга-эмбриона. Он развивается без головы, у ацефалов это хорошо получается. Затем – УЗИ, выяснение, что ребёнок получается неполноценный, и юридически-разрешённый аборт. Нет головы – нет человека, значит, никого мы не убивали. И тут – раз! — у нас тут появился теоретически легальный биоматериал с неразвитым органами пациента. Быстро имплантируем их! Из очевидных минусов – ну, кроме моральной стороны – организационная сложность и возможные юридические осложнения в будущем.
   
3. И, наконец, есть третий метод, про который и идёт речь. Он же самый современный — трёхмерная печать органов. И именно им занимаются в новой лаборатории. Смысл такой: не нужны неорганические каркасы (клетки сами себя прекрасно держат), не нужно у кого-то брать органы. Пациент отдаёт немного своей жировой ткани (есть у каждого, в ходе экспериментов жаловались только тощие японцы), из неё методом последовательной обработки клеток получаются необходимые конструкционные элементы. Создаётся трёхмерная модель органа, конвертируется в CAD-файл, затем этот отдаётся 3D-принтеру, который умеет печатать нашими клетками и понимает в какую точку трехмерного пространства ему нужно «уложить» конкретный тип клетки. На выходе – тканевый конструкт, который надо поместить в специальную среду, пока не начались проблемы с гипоксией. В биорекаторе тканевый конструкт «созревает». Потом орган можно «трансплантировать» пациенту.
   

Очевидные сложные места метода следующие:

1. Получение модели органа. Нужно где-то взять схему. Это довольно просто.
   
2. Получение самих клеток. Очевидно, нам нужен материал для печати органа.
   
3. Сборка принтера, чтобы клетками можно было печатать (куча проблем с образованием структуры органа).
   
4. Гипоксия (отсутствие кислорода) во время создания органа.
   
5. Реализации питания органа и его созревание до готовности.
   

Итак, 3D-принтер – это только кусок линии по фабрикации органов: его нужно обеспечить чертежом, материалом, а затем полученную модель органа из клеток ещё вырастить. Теперь давайте посмотрим по шагам, как все описанные выше задачи решаются.

Модель органа

Итак, берётся CAD-файл (сейчас — формат stl) с моделью органа. Проще всего получить модель, сделав трёхмерное сканирование самого пациента, а затем доработав данные руками. Сейчас текущие конструкты моделируются в AutoCAD.

Видно моделирование. 3D-структура как у обычной детали – только вместо пластика будут тканевые сфероиды.

Материал

Берётся материал – тканевые сфероиды, которыми будет идти запечатка. В качестве основы используется гидрогель, выполняющий функции соединительной структуры. Затем 3D-принтер печатает орган из этих вот тканевых сфероидов.

Первый опыт, подтверждающий, что из кусочков можно собрать целый орган: учёные разрезали на фрагменты сердце цыплёнка и срастили заново. Успешно.

Теперь вопрос – где взять клетки для этого материала. Лучшие – человеческие эмбиональные стволовые, из них можно сделать клетки для любой ткани последовательной дифференцировкой. Но их трогать, как мы знаем, нельзя. Зато можно брать iPS – индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Их можно сделать из костного мозга, пульпы зуба или обычной жировой ткани пациента – и их производят различные компании по всему миру.

Схема такая: человек обращается в клинику, делает липосакцию, жировая ткань замораживается и кладётся в репозиторий. При необходимости – достаётся, из неё делаются нужные клетки (ATDSC, один такой комплекс есть в России) и затем дифференцируются по назначению. Например, из фибробластов можно сделать iPS, из них – почечный эпителий, а дальше – функциональный эпителий.

Машины для автоматического получения таких клеток производятся General Electric, например.

Центрифуга. Первый этап отделения материала из жировой ткани.

Из этих клеток формируются шарики в специальных микроуглублениях на твёрдом материале. В углубление на молде помещается клеточная суспензия, затем клетки сращиваются, и образуется шарик. Точнее – не очень ровный сфероид.

Обработка конструкционных блоков

Следующая проблема – клетки в картдидже горят желанием срастись. Тканевые сфероиды должны быть изолированы друг от друга, иначе они начнут срастаться раньше срока. Их нужно инкапсулировать, и для этого используется гиалуроновая кислота, получаемая из сыворотки крови. Её надо совсем мало – просто один тончайший слой. Она также быстро «уходит» после печати.

Печать

Головка 3D-принтера имеет три экструдера: две форсунки с гелем и устройство, выдающее тканевые сфероиды. В первой форсунке с гелем – тромбин, во второй – фибриноген. Оба геля относительно стабильны, пока не соприкасаются. Но когда белок фибриноген расщепляется тромбином, образуется фибрин-мономер. Именно им как бетоном скрепляются тканевые сфероиды. При глубине слоя, соответствующей диаметру сфероида, можно последовательно наносить материал ряд за рядом – сделали слой, закрепили, перешли к следующему. Затем фибрин легко деградирует в среде и вымывается при перфузии, и остаётся только нужная ткань.

Вот так будут печататься трубочки

Принтер печатает слоями по 250 микрометров: это баланс между оптимальным размером блока и риском гипоксии в сфероиде. За полчаса можно напечатать тканево-инженерную конструкцию 10х10 сантиметров – но это ещё не орган, а тканево-инженерная конструкция, «сопля» на жаргоне. Чтобы конструкция стала органом, она должна жить, иметь чёткую форму, нести функции.

Микроскоп с огромным фокусным расстоянием смотрит на стеклянный куб с 3D-принтером.

Печатающая головка. Пока идут тесты комплекса на пластике. Принтер сейчас печатает расходный материал, пластиковые приспособления-молды для создания сфероидов. Параллельно идут тесты стерильного бокса для 3D-принтера при работающем электронном устройстве.

Постобработка

Главный вопрос – это то, что клеткам, вообще-то, не плохо бы иметь доступ к кислороду и питательным веществам. Иначе они начинают, грубо говоря, гнить. Когда орган тонкий, проблем нет, но уже с пары миллиметров это важно. Правда, у слона, например, есть хрящи до 5 миллиметров – но они вмонтированы там, где создаётся большое давление из-за массы остального слона. Так вот, чтобы напечатанный орган не испортился в процессе фабрикации, нужна микроциркуляция. Это делается печатью настоящих сосудов и капилляров, плюс с помощью тончайших перфузионных отверстий, проделываемых неорганическими инструментами (грубо говоря, конструкционные блоки поступают на полимерном «шампуре», который потом вынимается).

Уплотнение ткани

Тканевое объединение нескольких типов клеток без смешения

Будущий орган помещается в биореактор. Это, сильно упрощая, банка с контролируемой средой, в которой на входы и выходы органа подаются нужные вещества, плюс обеспечивается ускоренное созревание за счёт воздействия факторами роста.

Вот что интересно — архитектура органа обычно похожа на привычный по ООП инкапсулированный объект – артерия входа, вена выхода – и куча функций внутри. Предполагается, что биореактор позволит обеспечивать нужный вход и выход. Но это пока теория, собрать ещё не удалось ни одного. Но проект отработан до стадии «можно собирать прототип».

Висело в лаборатории. Видно первый этап: получение базовых элементов, второй – 3D-принтер с тремя экструдерами, третий – уход от прототипа к промышленной модели, затем испытания на животных, затем выход на IPO и установка людям.

Линия целиком — клеточный сортер, фабрикатор тканевых сфероидов, принтер, перфузионная установка

Рынки

Теперь кому всё это нужно на стадии, пока нет самих органов.

Первые же крупные клиенты – военные. Собственно, как не трудно догадаться, DARPA ходит в гости ко всем учёным, занимающимся такой темой. У них два применения – испытательное (много что нельзя испытывать на живых людях, а хочется – отдельный орган был бы очень кстати) и лечебное. Например, бойцу демократии отрывает руку, а до госпиталя ползти сутки. Хорошо бы закрыть дыру, снять боль, дать ему возможность стрелять ещё 5 часов, а затем на своих двоих прийти к медсестре. В теории возможны либо роботы, которые соберут всё это по месту, либо заплатки из человеческих тканей, которые уже сейчас всерьёз думают ставить на ожоги.

Второй клиент – фарма. Там лекарства испытываются по 15 лет до выхода на рынок. Как шутят американцы, проще убить коллегу, чем мышку. На мышку надо собрать кучу документов в руку толщиной. Сертифицированные мышки получаются в результате очень дорогие. Да и результаты по зверьку отличаются от человеческих. Существующие модели испытаний на плоских клеточных моделях и на животных не достаточно ревалентны. В лаборатории мне сказали, что примерно 7% новых лекарственных формул в мире не доходят до клинических испытаний из-за нефротоксичности, выявленной на стадии преклинических испытаний. Из тех, что дошли, около трети имеют проблемы с токсичностью. Именно поэтому, кстати, одна из первых задач — проверка функциональности нефронов, сделанных в лаборатории. Ткани и органы с принтера будут существенно ускорять разработку лекарств, а это огромные деньги.

Третий клиент – госпитали. Рынок трансплантации почек с США, например – 25 миллиардов долларов. Сначала предполагается просто продавать 3D-принтеры в больницы, чтобы пациент мог получить что нужно. Следующий (теоретический) шаг – создание комплексов для печати органов прямо внутри пациента. Дело в том, что миниатюрную печатающую головку внутрь больного доставить часто намного проще, чем крупный орган. Но это ещё пока мечты, хотя нужные роботы существуют.

Вот примерно так оно должно работать

Да, здесь есть ещё одна важная тема: параллельно ведутся исследования по управлению тканевыми сфероидами за счёт магнитной левитации. Первые опыты были простые – в ткань засовывались железные «наноопилки», и сфероиды действительно летали как надо в магнином поле и доставлялись по месту. Но страдала дифференцировка. С опилками сложно выполнять нужные функции. Следующий логичный шаг – металл в инкапсулирующем слое. Но ещё круче – микроскафолды с магнитными частицами. Эти скафолды охватывают сфероид и ещё могут выступать в роли каркаса-соединителя, встающего сразу по месту, что даёт огромный простор для оперативной печати органов.

Ссылки

— <a href="http://community.sk.ru/net/1120521/">Компания на Сколково

— Про российскую конферению по регенеративной медицине, которую делала эта команда

Пачка ссылок на английском, которая рассказывает о постепенном прогрессе:

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12679063

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11500808

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20603872

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21419621

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18423666

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16805712

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15174961

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18333793

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18194071

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18154465

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14981244

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20811099

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19176247

www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12740943

Куча бумаги, которую Миронов изрисовал за время рассказа. Почерк как у врача

Важные факты

• Ни один орган, напечатанный на 3D-принтере, ещё не был имплантирован человеку. Зато есть около десятка разных случаев успешной «установки» таких органов в животных.
  
• Миронов собрал уже три действующих 3D-биопринтера: 2 в Канаде, одни у себя в Бразилии. Новый в России должен стать лучше всех существующих.
  
• При сращивании сфероидов происходит компактизация ткани – например, почку придётся печатать раза в три больше, чем она будет внутри пациента – уже на последней стадии фабрикации она станет нормального размера.
  
• Сейчас научились делать базовые вещи, например, трубочки из разных типов ткани. После проверки функциональности клеток можно делать сложные конструкции. Например, из трубочек легко получается нефрон, а из множества нефронов – почка.
  
• Роботы нужны. В бронхах, например, 10 порядков ветвления – собирать это руками несколько утомительно, да и пациент не готов ждать тысячи лет. Будущее технологии быстрой печати – микрофлюидные экструдеры, которые делают до 10 тысяч капель в секунду. Вместе с быстрым роботом они могут дать отличный эффект.
  
• Напечатанные органы сразу атромбогенные – например, сосуды сразу же выстланы изнутри эндотелием. Это очень крутое преимущество: пациент не рискует, и ему не придётся всю жизнь сидеть на таблетках.
  
• Чекпоинты на близлежащую перспективу: патенты в РФ, полностью собранный принтер, статья в Science или Nature. Уже собрана международная команда ученых, в составе которой: доктор биологических наук, кандидат биологических наук, кандидат медицинских наук, доктор Ph.D.
  
• Первая почка будет в 2030-м году. Стоить она сначала будет как космос, но с масштабированием технологии – в разы дешевле, чем чужие органы на пересадку сейчас.
  

[jack74]

Ще трішки про фантазії та реальності сьогодення 3Д-друку (не тільки про друк органіві)

3D принтер печатает ваши мысли

07 Июн, 2013

НЕВЕРОЯТНЫЕ ФАКТЫ

Если когда-то мы могли только мечтать о том, что лишь подумав о предмете мы получаем его перед собой, без разработки и опытно-конструкторских работ, то сегодня – это реальность.

Чилийская компания Thinker Thing, предназначение которой в создании программного обеспечения для взаимодействия нейро-технологического оборудования с новейшими 3D-печатными машинами, в буквальном смысле производит объекты с помощью силы мысли.

Звучит фантастически нереально, но компания уже создала небольшую игрушечную руку.

Вот как это работает.

Во-первых, человек надевает гарнитуру Emotiv EPOC, которая использует множество датчиков для измерения электрических сигналов мозга, связанных с чувствами и выражениями эмоций.

Далее программное обеспечение показывает человеку ряд отобранных, экранных форм. Так как эти формы постепенно видоизменяются, человек мысленно может принять или отклонить ту или иную форму в зависимости от предмета или объекта, который он задумал.

Гарнитура EPOC передает эти мысли системе, которая в конечном итоге, трансформирует задуманный объект в реальный, и печатает его на 3D-принтере.

"Наше программное обеспечение позволяет пользователю создавать 3D-модели с помощью силы мысли, при этом объекты печатаются с использованием Replicator MakerBot Industries, новейшего десктопа 3D печати", - говорится на веб-сайте компании.

Для того, чтобы об их деятельности узнало больше людей, компания даже создала свое шоу. Чилийское правительство профинансировало передвижную художественную выставку "Фантастические существа, созданные разумом". Дети со всего Чили получат возможность создать и увидеть существ из своего воображения.

Ниже можно посмотреть промо-ролик проекта.

3D-печать

10 невероятных вещей, которые можно сделать с помощью 3D-принтера

Ближе к окончанию фильма о Джеймсе Бонде "Skyfall" есть сцена, во время которой главный герой и М едут на классическом Aston Martin DB5 1960 года, отличительном автомобиле Бонда, впервые использованном в 1965 году.

Позже этот автомобиль взрывается вместе с вертолетом.

Если вы смотрели какой-либо фильм за последние десятилетия, то вы наверняка знаете, что эту конкретную сцену не трудно делать создателям фильмов.

Все, что им необходимо, это вставить компьютерный взрыв, или же, в зависимости от бюджета, взорвать настоящий DB5, которых осталось на планете около трех сотен.

Вместо этого создатели фильма напечатали в масштабах 1:3 на 3D-принтере модель Aston Martin и взорвали ее, тем самым сохранив настоящие автомобили для музеев.

Вот десять способов того, как люди используют такие принтеры для создания чего-то функционального, а иногда и для продвижения важных изменений в мире.

3D-одежда

10. Одежда и обувь

В первое время существования 3D-принтера, объекты, которые он печатал, как правило, представляли собой громоздкие пластиковые конструкции, впоследствии выступавшие в качестве прототипа и визуального руководства для создания реальных вещей.

Теперь, когда технология стала более точной, на принтере можно печатать маленькие, с детальными подробностями, объекты. Таким образом, сегодня доступна нейлоновая одежда, напечатанная таким образом, которая выводит объекты по точнейшим размерам человека, являясь самой персонализированной одеждой в мире.

Первая коллекция одежды, созданная так, носит название "N12 бикини" (N12 в данном контексте означает нейлон 12, материал, из которого она сделана).

Бикини в данном случае подразумевает, что одежда изготовлена из небольших пересеченных кругов, алгоритм взаимодействия которых регулируется на основе изгибов кривой, большей, чем сами круги.

Вся конструкция основана на сканировании тела, поэтому конечный продукт идеально подходит носителю этой одежды.

Гитара 3D

9. Гитары

Начиная примерно с 12 века, гитары или, по крайней мере, их предшественники, изготавливались из дерева. В последние годы применялся и пластик, но сам процесс из создания был приблизительно одинаков.

Инструменты делались так называемым методом вычитания, то есть бралось полотно, на котором вырезался аппарат нужной формы. Таким образом, с помощью резьбы по дереву в конечном итоге получалась гитара.

3D-печать, с другой стороны, это построение слоев в правильную форму с помощью материала, который позднее превращается в твердое вещество.

Такой процесс может применяться для создания практически всего, в том числе и для получения идеальной акустической гитары.

Данная гитара является первой в своем роде, она прекрасный пример творения Скотта Сумми (Scott Summi). Каждая ее часть была напечатана отдельно, за исключением шеи и струн, даже металлические составляющие инструмента были созданы с помощью принтера.

Весь процесс занял около двух часов. А так как любой печатаемый на 3D-принтере объект задается компьютерной моделью, то не существует никаких ограничений, что, в свою очередь, открывает двери огромному творческому потенциалу.

Создание 3D-дома

8. Дома

В прошлом году Берок Кошневис (Behrokh Khoshnevis), инженер-профессор университета Южной Калифорнии (University of Southern California) выступил с

, в котором он описал, как за менее чем 20 часов с помощью 3D-принтера можно построить дом, размером в 2320 квадратных метра с работающей сантехникой и электропроводкой.

Эти сроки звучат, как нечто невероятное. Целые кварталы могут быть сооружены за месяц, а все, что нужно сделать, это изменить дизайн компьютерного проекта дома, чтобы они выглядели иначе.3D-принтер на солнечных батареях создает здания из песка

Более того, эта система может быть использована для замены домов в трущобах или для того, чтобы быстро обеспечить жильем людей, пострадавших от стихийных бедствий. Если бы эта система уже полностью работала, то возможно почти все, кто остался без крова в результате землетрясения в Гаити в 2010 году, уже получили бы жилье.

7. Оптика для фотоаппаратов

Фото, вероятно, это последняя область, откуда ждешь прорыва в области 3D-печати. Камера хорошего качества может стоить несколько тысяч долларов, а линзы, которые идут с ней в комплекте, также не дешевые.

Этому есть объяснение: фотография по своей сути – это захват света, поэтому для лучшего результата вам нужно самое лучшее оборудование. Линзы особенно важны, поскольку они отвечают за преломление света под прямым углом для создания координационного центра, в результате чего получается кристально чистое изображение.

Хотя сегодня напечатанные на 3D-принтере линзы отличаются низким качеством от традиционных линз, но технологии по их созданию продвигаются семимильными шагами. Отчасти это связано с появлением многочисленных сайтов, таких как Thingiverse , на которые пользователи самостоятельно могут загружать свои проекты по дизайну, позволяя другим людям их бесплатно скачивать и улучшать.

К примеру, объектив представленной ниже камеры был изготовлен на домашнем 3D-принтере.

При этом снимки с его помощью получаются вполне приличные.

(продовження в наступному повідомленні)

[jack74]

продовження

Более дорогостоящие принтеры уже могут печатать стеклянные предметы, так что на самом деле пройдет не много времени, когда в домашних условиях можно будет создать стеклянную линзу для фотоаппарата, которая по своим характеристикам не будет уступать коммерческим линзам.

Еда 3D

6. Еда

NASA использует 3D-принтеры для печати некоторых частей своих космических кораблей уже в течение нескольких лет, и этот факт о многом говорит. Сегодня же NASA принимает эту концепцию в совершенно новом направлении, сейчас эксперты уже прошли первый их трех запланированных этапов по созданию печатной еды, пригодной для употребления космонавтами.

Данная космическая программа не является новаторской технологией, однако, работу возглавляет Андраш Форгакс (Andras Forgacs), который в прошлом году стал первым человеком, который отведал мясо, напечатанное на 3D-принтере.

Процесс печати еды, по существу, такой же, как и печать всего остального: пластик просто заменяется живыми клетками, и выстраивает мышечную ткань слой за слоем.

При этой простой замене вы также собственноручно удаляете тысячи экологических проблем, которыми напичкано современное сельское хозяйство.

3D искусство

5. Искусство

Человек – это очень захватывающее существо. Существуют среди нас те, кто намеревается спасти мир, а также те, кем вдохновляется мир. Искусство играло свою роль в развитии человеческого интеллекта на протяжении многих веков, и 3D-печать предлагает еще одно средство художникам, чтобы самовыразиться,при этом некоторые достигают в этом деле абсолютно умопомрачительных результатов.

Представленные ниже скульптуры, также как и вышерасположенное творение принадлежат руке Софи Кан (Sophie Kahn), фотографа и скульптора, которая первоначально увлеклась 3D-печатью как частью "пост-фотографического" процесса, способа достигнуть нового уровня в своей работе.

Софи Кан произвела всплеск в мире искусства, но уже сейчас в мире есть сотни людей, для которых 3D-печать – это ничто иное, как творческий выход.

Более того, это более дешевый способ реализовать свои творческие амбиции для художника, потому как расходные материалы гораздо дешевле по сравнению с традиционными художественными принадлежностями.

4. Протезирование

В 2011 году столяр Ричард ван Эс (Richard Van As) в результате производственной травмы потерял четыре пальца. Столкнувшись с тем, что для механических протезов необходима сумма в 10 000 долларов, мужчина решил соорудить их сам.

Сделал он это дома с помощью 3D-принтера.

Его прототип, под названием Robohand, обладает пятью пальцами, которые "складываются", когда он сгибает запястье. После того, как он закончил работу над искусственной рукой, Ричард загрузил полученную конечность в интернет для того, чтобы другие люди могли ею пользоваться.

Затем Ричард пошел еще дальше: сегодня он и его партнер сооружают протез руки для южноафриканских детей с отсутствующими пальцами, как у пятилетнего мальчика в нижепредставленном видео, который родился с синдромом амниотических перетяжек, в этом случае дети появляются на свет без пальцев.

Самое увлекательное в этом вопросе то, что работа Ричарда – это всего лишь верхушка айсберга. В 2009 году человеку по имени Эрик Моджер (Eric Moger) удалили опухоль с лица, оставив на левой щеке отверстие, величиной с теннисный мяч.

Позднее врачам удалось напечатать протез, которая отражает правую сторону лица Эрика. Протез состоит из очень гибкой и качественной кожи, при этом выглядит он поразительно реалистично.

Более того, в начале этого года в Соединенных Штатах мужчине был имплантирован в череп протез, охватывающий почти четверть всей головы.

3D-печать органов

3. Части тела

[\spoiler]

Пока человечество не научилось выращивать потерянные руки и ноги с ящероподобным эффектом, но движение в этом направлении есть.

К примеру, инженеры Корнельского университета (Cornell University) сумели напечатать работоспособное ухо с использованием клеток, полученных из ребра пациента. Клетки смешали со специальным гелеобразным материалом, используемым в 3D-принтере, для того, чтобы соорудить модель.Родители смогут купить 3D-модели нерожденного плода

В итоге ухо практически через три месяца начало выращивать свои собственные хрящи.

Более того, совсем недавно исследовательская компания Organovo из Сан-Диего объявила о том, что они успешно распечатали ткань человеческой печени на 3D-принтере, которая способна выполнять все функции, свойственные печени. Полноценный орган они пока не сумели создать, но горизонт все ближе.

Это, безусловно, важный шаг на пути замены больных органов печатными, которые могут спасать тысячи жизни ежегодно.

[\spoiler]

[jack74]

продовження

Сердце на печать

2. Роботы

Люди очень увлечены идеей вдыхания жизни в другое существо. Возможно, все потому, что роботы – удивительные создания.

Несмотря ни на что, уже сейчас существует довольно большое количество исследовательских групп, которые начали создавать прототипы роботов с помощью 3D-принтеров. В Германии, к примеру, компания Fraunhofer-Gesellschaft разработала модель восьминогого робота-паука.

Причем напечатали они его с такой легкостью, что один из исследователей сравнил робота с одноразовыми резиновыми перчатками, подразумевая, что после того, как вы его использовали однажды, легче просто напечатать нового.

Стоит отметить, что команда экспертов из Массачусетского технологического института (MIT) создали уникального робота, который может собраться самостоятельно.

Бот создан с помощью запоминающих образ полимеров, которые могут сложиться в форму, изначально запрограммированную перед печатью.

Наконец, с помощью 3D-печати был создан робот, который реагирует на голосовые команды совершенно необычным образом. Его модель находится в свободном доступе в интернете, поэтому каждый желающий сможет соорудить себе нечто подобное и сыграть свою роль в создании армии роботов.

RepRap: 3D-принтер

1. 3D-принтеры

Уже существует принтер, который может печатать другие 3D-принтеры. Называемый RepRap, принтер использует находящийся в открытом доступе план-дизайн, и может печатать все детали другого принтера (за исключением нескольких металлических гаек и болтов).

В 2008 году машина была протестирована в университете Бата (University of Bath) в Великобритании, где она успешно "сдала экзамен", выдав свою копию. Спустя три минуты, "ребенок" смог напечатать продолжение своей "робо-генеалогической" линии.

Поскольку весь план создания 3D-принтера находится в свободном доступе в интернете, вокруг этой темы сформировалось своего рода сообщество, деятельность которого направлена на постоянное усовершенствование аппарата.

К примеру, один человек может скачать все чертежи, сделать свои улучшения, а затем загрузить полученное. Это, пожалуй, первый настоящий пример аппаратного краудсорсинга в истории, и никто не знает, к чему это приведет в будущем.

[Zerotul]

Так и хочется представить, что можно будет возможно создать с помощью нанотехнологий к которым сейчас идет 3д печать, аж ум за разум заворачивается.

[Zheny@]

Так и хочется представить, что можно будет возможно создать с помощью нанотехнологий к которым сейчас идет 3д печать,

Всі дружно згадуємо "5-й елемент":

[Alexander47]

я звісно сам не стикався, поки що, з 3-д принтерами, але дуже цікавлюсь цією темою. ІМХО з часом це стане найреволюційнішим відкриттям 21 століття! Viva наука

[Ko3bMa]

"Производители 3Д принтеров просят пользователей не печатать на их устройствах 3Д принтеры"

[araris]

Фраза "операція по збільшенню члена" набуває нового змісту...

[snouden]

у свій час великі надії покладав на на технологію 3д друку, але зараз вже думаю, вдома далі баловства діло не піде. Ну ніхто вдома книжки собі не друкує (маргіналів не берем), так і з різними пластмасками буде. На виробництві, там є свої роботи та станки. А от в медицині так.

[jack74]

Всі дружно згадуємо "5-й елемент":

а з са-а-а-амого-самого верху відео не помітив?

[Liok]

Жостко))

[jack74]

Учені створили новий матеріал для друку кісток на 3D-принтері

Цитувати

 

Зовнішній вигляд нового протеза

Новий кістковий наповнювач дозволяє друкувати на 3D-принтері штучні кістки, що стимулюють ріст і загоєння тканин.

Група фахівців з Північно-Західного Університету США на чолі з Адамом Якусом створили штучну кісткову тканину, яку можна надрукувати на 3D-принтері. Про нововведення повідомляє видання Science Daily.

Особливість нового матеріалу в тому, що він не викликає імунної відповіді, самостійно заповнюється клітинами і природним чином стає кісткою. Іншими словами, штучний кістковий матеріал після імплантації стимулював зростання власних кісток організму.

Матеріал для штучної кістки створено на основі двох речовин: мінералу гідроксиапатиту, який присутній і в цих кістках, а також полікапролактона — полімеру, що вже широко використовується в медицині. "Штучні кістки" на основі матеріалу можна розтягувати без руйнування структури приблизно на половину довжини.

Але цей матеріал не лише еластичний. Він ще і має високу пористість — мікропорожнечі складають до половини обсягу "штучної кістки". Це дозволяє клітинам проникати у внутрішню структуру матеріалу. При цьому з'являються кровоносні судини і починає рости справжня кісткова тканина.

"Пористість дуже важлива, коли йдеться про регенерацію тканин. Коли ви кладете стовбурові клітини на наші каркаси, вони перетворюються в клітини кістки і починають регулювати розвиток і ріст кістки", - говорить Раміль Шах, який керував дослідженням.

За словами вченого, ці штучні кістки в майбутньому будуть використовуватися у першу чергу для протезування у дітей, оскільки зростаючим дітям неможливо поставити постійний імплант.