Отец-основатель

Все началось с человека по имени Чарльз (Чак) Халл. В 1983 году этот инженер работал в компании Ultraviolet Products (UVP), где занимал пост вице-президента по разработкам. Компания производила ультрафиолетовое оборудование и специальные светочувствительные полимеры. В частности, они использовались вместо краски, наносились на поверхность мебели. Под действием УФ-лучей полимеры застывали, что превращало их фактически в прочный пластик.

В какой-то момент Халлу пришла в голову идея не просто обработать один слой краски ультрафиолетом, а сделать сложную конструкцию. Он подумал, что если использовать не один слой пластика, а несколько, то можно создать изделие любой формы и сложности. А если задействовать еще и компьютерное моделирование, то возможности инженерии еще расширяются.

Руководство компании разрешило Халлу экспериментировать в свободное от работы время. По ночам он просиживал в лаборатории, настраивал оборудование, подбирал полимеры и писал компьютерные программы. В итоге создал аппарат, который с помощью ультрафиолетовой лампы делал из фотополимера задуманную трехмерную конструкцию. Так получился первый 3D-принтер.

Сам Халл не видел практического применения своей машины и назвал ее «клудж», то есть технически работоспособный, но в целом ненужный хлам. Но так было до тех пор, пока Халл не «победил» свое собственное изобретение. Дело в том, что достаточно долго он не мог добиться того, чтобы застывающая форма была стабильна, но в итоге он синхронизировал работу компьютера и УФ-лампы, так что изделия получались сразу прочными. Он зарегистрировал 3D-принтер, и уже в XXI веке его изобретение нашло применение во многих областях. В том числе и в медицине.

От простого к сложному

В 1999 году впервые в мировой медицинской практике человеку пересадили орган, выращенный с помощью 3D-технологий. Ученые создали из пластика объемный каркас мочевого пузыря и поместили в него стволовые клетки. В итоге внутри пластика вырос орган, причем после трансплантации человеку он исправно работал. Эта же группа ученых аналогичным образом вырастила печень, однако пациенту ее пересаживать не стали: технология была несовершенная, так что трансплантировать новую печень побоялись.

Еще несколько лет спустя технологии развились настолько, что пластиковые каркасы больше не требовались: органы начали печатать прямо на биопринтере. Сначала на компьютере создается объемная модель органа, потом в принтер заправляются биочернила, которые состоят из живых клеток и биоматериалов. После того как орган напечатан, он отправляется в биореактор – там ему предстоит дозреть и стать функциональным, то есть работающим. Так «делали» суставы, кости, сердечные клапаны, трахею и т.д. Однако гораздо чаще печатают не орган целиком, а только фрагмент ткани, например, для заживления ран.

Важная работа сейчас идет в области совершенствования биочернил. В их состав могут входить:

• альгинаты – полисахариды, получаемые из водорослей, они очень хорошо совместимы с тканями организма и не токсичны;
• коллаген;
• желатин – производное коллагена;
• гиалуроновая кислота;
• фибрин, волокна которого образуют сеть;
• собственные клетки органа.

Фактически биопринтер печатает живыми клетками на коллагеновой матрице. Живые клетки могут быть получены от самого пациента, но с некоторыми видами это сделать проблематично. Тогда их выращивают из стволовых, например, так поступают с кардиомиоцитами.

Тонкая работа

Следующий шаг, над которым сейчас работают ученые, – печать ткани прямо «на месте». Ведь сегодня есть микроскопические хирургические инструменты для эндоскопических операций, так почему бы не сделать микробиопринтер? И он был изготовлен, чтобы печатать нужную ткань прямо на месте повреждения, в том числе на поверхности внутреннего органа. Например, во время операций на кишечнике 3D-биопринтер на месте печатать здоровую ткань, а манипулятор наносит ее на внутреннюю поверхность кишки. Заживление тем самым ускоряется.

Органы и ткани печатаются не только для трансплантации, но и, например. для испытания на них лекарств. В России, по последним данным, 3D-биопринтингом занимаются порядка 15 компаний.