3D-принтер на Arduino печатает функциональную человеческую кожу

По оценке ВОЗ ^[1], ежегодно около 11 млн пациентов в мире нуждаются в пересадке кожи после ожогов, а у 265 тыс. пострадавших повреждения кожи настолько обширны, что ведут к летальному исходу. Пересадка кожи требуется также в результате различных патологий, инфекций, после операций по удалению раковых опухолей, из-за генетических и соматических болезней.

Обычно для восстановления кожи используются аутогенные трансплантаты, когда участок кожи берут у самого реципиента. К сожалению, при большой площади ожогов бывает невозможно найти подходящие участки в достаточном количестве.

Медики пытаются исследовать разные технологии для получения подходящего заменителя ^[2], но пока что результаты далеки от идеальных. Результаты ненадёжные: материал получается слишком хрупкий, с ним трудно работать, после пересадки он слишком чувствителен к контакту. В общем, существующие методы изготовления дают чрезвычайно непредсказуемый результат.

В последние годы с помощью новых технологий учёным удалось разработать гораздо более продвинутые субстраты, в которых кожные и эпидермальные компоненты динамически взаимодействуют друг с другом как во время созревания в лаборатории, так и после трансплантации на тело человека. В частности, для изготовления таких субстратов сейчас активно применяется белок фибриноген (и его производный белок фибрин) — компонент плазмы крови, который синтезируется в печени. Этот белок оказался отличным материалом для искусственного субстрата кожи — он дёшев, доступен в большом количестве и удобен в работе.

Около десяти лет группа испанских исследователей впервые изготовила и опробовала субстрат искусственной человеческой кожи из плазмы кожи: см. статью "Clinical Results of an Autologous Engineered Skin" ^[3], опубликованную в марте 2006 года в журнале Cell Tissue Bank (doi:10.1007/s10561-004-7253-4). Клинические испытания показали обнадёживающий результат, но сам процесс пересадки оставался сложным. Во-первых, требовался исключительно квалифицированный персонал: приживление такого субстрата — это научный проект, который выполняется учёными в лаборатории. Было практически нереально повторить его в средней больнице. Кроме того, выращивание субстрата занимало долгое время: 3-4 недели для выращивания одного квадратного метра.

Учитывая большой спрос на искусственную кожу, учёные поставили цель оптимизировать технический процесс — сократить время и стоимость работ, а также максимально автоматизировать работу. И у них получилось.

Печать кожи на 3D-принтере

Как показали исследования последних лет, 3D-биопечать замечательно проявляет себя в печати тканей, печени ^[4] и других живых органов. Инженеры изучили целый ряд новых материалов, подходящих для биопечати человеческих органов на декартовых координатных роботах ^[5] (то есть на недорогих современных 3D-принтерах), в том числе гидрогели, полимеры и керамику (для костей). Значительный прогресс достигнут в разработке 3D-конструкции для печати сложных тканей. Общий подход заключается в печати предварительной матрицы слоёв на основе гидрогеля с целью последующего образования перекрёстных связей между ними и формирования 3D-каркаса, который будет поддерживать живые клетки и другие внеклеточные компоненты, встроенные в этот каркас. После определённого времени созревания в лаборатории эта напечатанная ткань или орган могут быть пересажены в организм человека.

Согласно обзору методов 3D-печати человеческой кожи ^[6] (2016 год, журнал Trends in Biotechnology), здесь есть две основные стратегии: печать на месте повреждения или печать в лаборатории. Во втором случае тоже используются разные подходы.

Группа испанских учёных из Мадридского университета имени Карлоса III ^[7], Центра энергетических, экологических и технологических исследований, больницы Hospital General Universitario Gregorio Marañón и коммерческой компании BioDan Group разработали технологический процесс 3D-биопечати, который кажется им наиболее оптимальным, с учётом опыта, накопленного предшественниками. Они применили технику биопечати free-form fabrication (FFF) для печати слоёв с целью последующего образования перекрёстных связей между ними и формирования 3D-каркаса, как было описано выше. В отдельных слоях размещаются фибробласты ^[8] и кератиноциты ^[9], полученные в результате биопсии кожи.

Биопринтер для печати человеческой кожи. В четырёх картриджах — плазма крови, фибробласты, хлорид кальция и кератиноциты. Печатью управляет контроллер Arduino (ATmega2560) с RAMPS 1.4 и ЖК-дисплеем. Принтер с двумя шаговыми электродвигателями работает на свободной прошивке Marlin, расчёт траекторий для нанесения слоёв выполняет программа Repetier 0.53. Для контроля объёма наносимой жидкости написан скрипт на C++

Приживление образца напечатанной человеческой кожи на мыши с иммунодефицитом прошло успешно. На иллюстрациях ниже показан гистологический анализ образца через 8 недель после пересадки.

Разработанный метод позволяет печатать функциональную человеческую кожу, используя простое оборудование на Arduino и дешёвые материалы: плазму крови, фибробласты и кератиноциты. Тесты показали, что напечатанная кожа очень похожа на настоящую. По мнению разработчиков, такой метод позволяет печатать кожу в объёмах, необходимых для клинического и коммерческого использования. Так, фрагмент кожи 100 см² изготавливается за 35 минут, включая 30 минут застывания фибрина.

Исследователи считают, что за счёт автоматизации и стандартизации печати можно ожидать в будущем значительного удешевления кожи.

Научная работа опубликована ^[10] 5 декабря 2016 года в журнале Biofabrication (doi: 10.1088/1758-5090/9/1/015006, pdf ^[11]).

Автор: alizar

Источник ^[12]