Trimatis biospausdinimas. Vis dar kūdikystėje

Free Register

Santrauka

3D biospausdinimas – tai procesas, kurio metu kuriami erdviškai apibrėžti objektai su ląstelėmis, atkuriantys biologinių audinių struktūras. Idealiu atveju tai gyvybingų organų, parengtų transplantacijai, spausdinimas. Tarp didžiausių tokių organų pranašumų – transplantuoto organo atmetimo pavojaus nebuvimas ir transplantų trūkumo mažinimas kritiškai sergantiems pacientams. Gyvybingų organų sukūrimas, manoma, realiai taps kasdienybe tik po 10–15 metų, tačiau funkcionuojantys mikroorganai ir organų fragmentai kuriami jau dabar. Didžioji dalis tam skiriamų lėšų šiandien gaunamos iš subsidijų, tačiau artimiausią dešimtmetį viskas keisis ir turbūt atsiras labai galinga biospausdinimo rinka. Čia apžvelgsime biospausdinimo technologijas, patentinę aplinką, sėkmės atvejus ir šioje srityje dirbančias sėkmingas kompanijas.

Istorija

Dar 1620 metais anglų filosofas Frensis Bekonas pasakė, kad popierinė spauda, šaunamieji ginklai ir navigacinis kompasas pakeitė pasaulio būklę amžiams ir atvedė mus į šiuolaikinį pasaulį. Ironiška, tačiau šiandien taip galima pasakyti ir apie 3D spausdintuvą, kurio dėka galima išspausdinti tą patį šaunamąjį ginklą, kompasą ir 3D spausdintuvą… Spausdinimo progresas tuomet atėjo su masinio spausdinimo galimybėmis. Pradžia buvo XVII amžiuje, kuomet kai kurios spaustuvės pradėjo spausdinti po 3 500 lapų per dieną. Tai leido padaryti pirmasis konvejeris, skirtas masinei knygų gamybai (Febvre L., Martin H-J. The Coming of the Book: The Impact of Printing 1450–1800. Verso World History Series, 1976). Toliau vystėsi litografija (akmens ar plokštelės, kuriomis pasinaudojant spausdinamas visas puslapis), taškinės matricos, spausdinimas lazeriniais ar rašaliniais spausdintuvais, atsirado skaitmeninis spausdinimas (perkeliant skaitmeninį vaizdą ant spausdinimo paviršiaus). Visų šių metodų produktas buvo dviejų matmenų (2D).

Tik gerokai vėliau atsirado trimačio produkto gavimo idėja ir galimybė. Ji kilo inžinieriui Ch. Hull dar 1983-aisiais, kai jis UV lempos pagalba formavo dengiamuosius stalviršių paviršius. Tuomet jis suvokė, kad sukietindamas įvairias kietėjančias medžiagas sluoksniais jis gali išgauti reikiamos formos objektus. Pavadinęs procesą stereolitografija, Ch. Hull detaliai viską patentavo JAV patente nr. 4,575,330, kuris vadinosi „Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography“. Procesą autorius apibūdino kaip spausdinimą paeiliui liejant fotopolimero sluoksnius vieną ant kito, apdorojant juos UV šviesa. Fotopolimeras polimerizuojasi UV šviesoje ir kietėja, o kompiuteriu valdant spindulį, kuriamas norimos formos trimatis produktas. 

Šiai naujai technologijai pristatyti ir išbandyti buvo pasirinkta „išspausdinti“ kelis labai skirtingus objektus: įprastinius akinių rėmelius, netradicinę įvairiaspalvę įvairių formų, kreivių ir sudėtingų detalių turinčią skulptūrėlę, kelių sluoksnių ir trijų atskirų sferų kamuolį ir patį 3D spausdintuvą, atspausdintą 3D spausdintuvu (1 pav.) (Hull C., Apparatus for Production of Three-Dimensional Object by Stereolithography. U.S. Patent 4,575,330, 1986).

4 3 1 2

1 pav. Pirmieji 3D spausdintuvu pagaminti daiktai.

Atsiradus 3D spausdinimo būdui iš esmės pasikeitė įvairių objektų gamybos kaštai. Tai tam tikru lygiu paveikė visą ekonomiką. Bet kokio daikto atspausdinimo naudojant 3D spausdinimo techniką kaina, palyginti su kitų technologijų kaštais, yra minimali. Spausdinant produktus trimačiu spausdintuvu reikia tik minimaliai investuoti į specifinę gamybos aplinką, nes spausdintuvas yra labai plataus, plastiško pritaikymo. Toks gamybos metodas sutaupo ne tik išteklių, bet ir daug laiko. 

Sąvokos ir technologija

Kaip aprašo C. Schubert ir kolegos, trimačio spausdinimo metu trimačiai objektai kuriami išpurškiant pro specialius purkštukus ir užliejant ant viršaus sluoksnį po sluoksnio tam tikros medžiagos (dažnai plastiko, metalo ar kitokių polimerų) (C. Schubert, M. C. Van Langeveld, and L. A. Donoso, „Innovations in 3D printing: a 3D overview from optics to organs“, pp. 159–161, 2014). Tai visiškai kitoks procesas nei įprastinė gamyba, kai iš žaliavinės medžiagos gabalo lazeriu ar kitaip išpjaunami objektai. Todėl 3D spausdinimas dar vadinamas papildomąja gamyba. Plastiko objektų spausdinimas tampa įmanomas, kai plastikas palaikomas labai artimoje jo lydymuisi temperatūroje. Toks termoplastikas po išliejimo / išspausdinimo vėsdamas greitai sukietėja. Tokiam spausdinimui skirtas trimatis spausdintuvas (2 pav.) yra sudarytas iš vieno ar kelių medžiagos išdavimo įtaisų (dispenserių), kurie gali judėti trijose plokštumose. Jų valdymui reikalinga programinė įranga, kuria realizuojamos trimačio spausdinimo bylos, t. y. kompiuteriu sukurtas modelis paverčiamas daugelio sluoksnių spausdinimo instrukcija.

Yra ir alternatyva pasluoksniniam liejimui – trimačiai objektai gali būti kuriami selektyviai apdorojant žaliavinius polimerus lazeriu ar kt. Tokiu atveju skystoje žaliavinėje polimero substancijoje objektas kuriamas judant tam tikros energijos spinduliui, pvz., UV šviesos kaip Ch. Hull atradime. 

1

2 pav. 3D spausdintuvas. Shiley ortopedijos tyrimų centras, La Jolla, Kalifornija. © Sandy Huffaker/Corbis.

Biospausdinimas

3D biospausdinimas – tai gamybos procesas, kai spausdinami norimos architektūros ląstelių turintys konstruktai, kuriuose palaikoma ląstelių funkcija ir gyvybingumas. Intelektinė nuosavybė šioje srityje yra labai gausiai apsaugota patentais. Pirmoji patento paraiška biospausdinimo srityje JAV buvo pateikta 2003 metais, o patenkinta – 2006 (iš Wikipedijos).

Sveikatos apsaugos sektorius nuo pat pradžių yra esminė 3D spausdinimo pritaikymo sritis. Pirmiausia reikėtų paminėti trimačio spausdinimo pritaikymą žmogaus kraujagyslių ir kraujagyslių tinklų 3D kūrimui (Miller JS, Stevens KR, Yang MT, et al. Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues. Nat Mater 2012; 11:768–74), žaizdų gydymui (Jeong JE, Chan V, Cha C, et al. „Living“ Microvascular Stamp for Patterning of Functional Neovessels; Orchestrated Control of Matrix Property and Geometry. Adv Mater 2012; 24:58–63), kaulinio audinio inžinerijoje (Leukers B, Gulkan H, Irsen SH, et al. Hydroxyapatite scaffold for bone tissue engineering made by 3D printing. J Mater Sci Makter Med 2005; 16:1121–4), bioninės ausies sukūrimui (Mannoor MS, Jiang A, James T, et al. 3D Printed bionic ears. Nano Lett 2013; 13:2634–9), 3D dantų protezavimui su žandikaulio atkūrimu (Fielding GA, Bandyopadhyay A, Bose S. Effects of silica and zinc oxide doping on mechanical and biological properties of 3D printed tricalcium phosphate tissue engineering scaffolds. Dent Mater 2012; 28:113–22) ir daug kitų.

Jau dabar 3D spausdintuvai medicinoje yra pritaikomi tokiose situacijose, kurios vos prieš keletą metų atrodė neįtikėtinos. Štai po avarijos kojos netekusio paciento sveikoji galūnė buvo nuskenuota ir naudojantis trimačiu spausdintuvu sukurtas identiškas kitos kojos protezas. Šiuo metu trimačio spausdinimo technologiją siekiama suderinti ir su pasiekimais kamieninių ląstelių srityje – kuriami kompleksiniai trijų dimensijų audinių konstruktai su įvairiais ląstelių tipais. Naudojamos suaugusio organizmo kamieninės ląstelės, indukuotos pluripotentinės ląstelės, įvairios kilmės mezenchiminės kamieninės ląstelės ir jų derivatai, kartu sėjama endotelio ląstelių ar jų pirmtakių. Ląstelių suspensiją lieja rašalo purkštukai terminiame spausdintuve. Ląstelės gali būti liejamos specifiškai (pagal tipus ir numatytas lokalizacijas), papildomai naudojami alginato ir kitokie karkasai. Ląstelių terpė reaguodama su karkaso medžiaga sudaro kompozitus ir ląstelės tarsi įcementuojamos numatytose vietose. Kelis kartus „perspausdinant“ galima užsėti vis naujų, kitokių ar papildomų ląstelių. Biologinės tokių ir panašių konstruktų funkcijos buvo patvirtintos tiek in vitro, tiek in vivo. Ląstelės sėkmingai išlikdavo gyvybingos, išsaugodavo savo fenotipą ir fiziologines funkcijas. Biospausdinti konstruktai virto gyvybingais audiniais ir vaskuliarizavosi in vivo (Xu T, Zhao W, Zhu JM, Albanna MZ, Yoo JJ, Atala A. Complex heterogeneous tissue constructs containing multiple cell types prepared by inkjet printing technology. Biomaterials. 2013, 34(1):130-9).

Trimatis biospausdinimas yra audinių inžinerijos šaka. Jo paskirtis – kurti funkcionalų žmogaus audinį iš plonų ląstelių sluoksnių. Biorašalas, kuriuo spausdinami audiniai, – tai ląstelių suspensija skystoje terpėje su hidrogeliu geometrinei konstrukcijai palaikyti. Organo sudėtingumas, t. y. kelių audinio rūšių, daugybės ląstelių tipų ir sudėtingos architektūros buvimas, lemia, kad iki šiol spausdinti visaverčių, persodinti tinkamų organų nepavyksta. Pavykę organų variantai neilgai išlaikė gyvybingumą, be to, kilo problemų, kaip juos perfuzuoti (R. P. Visconti, V. Kasyanov, C. Gentile, J. Zhang, R. R. Markwald, and V. Mironov, „Towards organ printing  : engineering an intra-organ branched vascular tree“, pp. 409–420, 2010). 

Trimatis biospausdinimas intensyviai vystomas, nes labai trūksta organų transplantacijai (inksto transplanto vidutiniškai laukiama penkerius metus) (Gift of Life Donor Program Statistics, 2014), o palaikomojo gydymo (pvz., inkstų nepakankamumo atveju tai dializė) kaštai dideli. Be to, donorinį persodintą donoro organą šeimininko organizmas gali atmesti. Ši problema išsprendžiama, kai organai spausdinami arba apgyvendinami paties paciento ląstelėmis. 

Spausdinant organus kyla etinių problemų. Jau seniai numanyta, kad dėl etinių klausimų gali kilti didelių diskusijų arba net numatyta draudimų, susijusių su organų spausdinimo klausimais (Stamford, Conn., Gartner Press Release, January 29, 2014). Sudėtinga užtikrinti spausdinamų audinių ir organų kokybę ir prieinamumą visiems pacientams. Kadangi ši sritis gausiai patentuota ir licencijuota, bijomasi, kad komercinė logika sudarys organų „susikūrimo sau“ galimybes tik pasiturintiems, mokiems pacientams. Dar viena opi problema – nežinomi ilgalaikiai spausdintų organų efektai ir saugumas.

Visi audinių inžinerijai naudojami trimačio spausdinimo produktai gali būti spausdinami kaip: 

  • • beląsteliai karkasai,
  • • ląsteliniai karkasai,
  • • audinių konstruktai be karkasų.

Beląsteliai karkasai kuriami taip, kad pritrauktų kamienines ląsteles ir suteiktų mechaninį pagrindą naujiems organams ir audiniams augti. Ląstelėms prigijus ir gaminant ekstraląstelinę matricą, karkasai pamažu tampa nereikalingi ir suyra. Šia kryptimi nuo seno dirbama Nacionaliniame Singapūro universitete (Toeh SH, Hutmacher DW, Tan KC, Tam KF, Zein I. Methods for fabricating a filament for use in tissue engineering. US6730252, 2004). Dirbama CAD modeliavimo pagrindu, kur modelis paverčiamas horizontalių pjūvių visuma, spausdinamas ir dengiamas biomedžiagomis. Ši technika tinkamiausia organams, kuriuose vyrauja vienas ląstelių tipas, pavyzdžiui, nosiai ar ausims, sudarytoms daugiausia iš kremzlinio audinio ląstelių.

Ląsteliniai karkasai savo sudėtyje jau turi ląstelių. Dažniausiai tai hidrogelinės struktūros, kurios erdvėje yra heterogeniškos, nevienalytės. Aprašytas ir patentuotas procesas, kai implantas modeliuojamas pagal paciento skenavimo duomenis, o jį liejant panaudojamas hidrogelis (Lipson H, Bonassar L, Cohen DL, Malone E. Modular fabrication systems and methods. US7625198, 2009). 

Panašiai buvo sukurti ir įvairių ląstelių tipų rinkiniai (angl. arrays) specifiniuose karkasuose. Wake Forest universiteto patentuose šis procesas aprašytas ir įrodoma, kad ląstelės gyvena struktūras persodinus in vivo (Yoo J, Tao Xu, Atala A. Ink-jet printing of tissues. US20090208466, 2009; Xu T, Yoo JJ, Atala A, Dice D. Inkjet printing of tissues and cells. US20090208577, 2009).

Tiesioginis audinių spausdinimas (be karkaso) remiasi idėja, kad ląstelės pačios pasigamins sau atraminių medžiagų, t. y. įprastinės sintetinės medžiagos nenaudojamos, o leidžiama audiniui pačiam organizuotis ir kurtis aplink ląsteles (Willams DF. On the nature of biomaterials. Biomaterials 2009; 30(30):8). Tam, pavyzdžiui, gali būti pasitelkiama fokusuota akustinė energija, kuria veikiamos ląstelės esančios savo augimo terpėje (Mutz MW, Ellson RN. Focused acoustic energy for ejecting cells from a fluid. US20020064808, 2002).

Organų ir audinių spausdinimas techniškai apima keletą esminių etapų:

  • • Pasirengimo – kompiuterinio organo ar struktūros erdvinio modelio sukūrimo.
  • • Audinių inžinerijos taktikos, t. y. audinių ir organų biomedžiagų pasirinkimas.
  • • Spausdinimo – biomedžiagų išliejimo ir konstravimo.

Viena pirmųjų technologijų buvo aprašyta William Murphy 2000 metais. Tai buvo litografijos technika, kai biomedžiagų paviršiai specifiškai modifikuojami ir (arba) mineralizuojami (Murphy WL, Peters MC, Mooney DJ, Kohn DH. Mineralization and biological modification of biomaterial surfaces. US6767928, 2000).

Tais pačiais metais kompanija „EnvisionTEC“ patentavo savo 3D spausdintuvą, kuris gali dirbti ir lieti medžiagas įvairiose temperatūrose (Mulhaupt R, Landers R, Hendrik J. Device and method for the production of three dimensional objects. US6942830, 2005). Jis lieja skystą medžiagą į standžias struktūras mikrolašeliais, kurie jungiami į mikrograndines ir sluoksniuojant kuria reikiamą struktūrą. Temperatūros pasirinkimo galimybė leidžia dirbti su gyvomis ląstelėmis.

Įmonė „Organovo“ patentavo (2013 m.) biospausdintuvą, kuriame sintezei naudojami ultravioletiniai spinduliai (Murphy K, Dorfman S, Law RJ, Le Vivian A. Devices, systems, and methods for the fabrication of tissue utilizing UV cross-linking. US13794368A, 2013).

Programinės įrangos srityje reikia paminėti S. J. Hollister ir kolegų grupę iš Mičigano universiteto, kurie sukūrė programą mikrostruktūroms iš biomedžiagų modeliuoti (Lin CY, Hollister SJ, Lin C-Y. Integrated global layout and local microstructure topology optimization approach for spinal cage design and fabrication. WO2004/093657A2, 2004).

Sudėtingiems kompleksiniams organams spausdinti reikia specifinio poveikio ir specifinių ląstelių tam tikrose konstrukto srityse. Tai galima padaryti pasitelkus lazerio spindulius. Lazerio spindulys ląstelėms ir geliniam skysčiui, kuriame jos plaukioja, daro skirtingą poveikį. Pasinaudojus selektyviomis charakteristikomis galima net pavienes ląsteles paveikti individualiai. Šis metodas taikomas spausdinant kraujagysles, tuomet išorinėje ir vidinėje jų pusėse dėliojamos skirtingo tipo ląstelės (Jeong JE, Chan V, Cha C, et al. „Living“ Microvascular Stamp for Patterning of Functional Neovessels; Orchestrated Control of Matrix Property and Geometry. Adv Mater 2012; 24: 58–63).

Poreikis ir pasiūla

Nors trimatis biospausdinimas dar kūdikystėje ir rinkos padėtis šių produktų atžvilgiu yra nelabai aiški, tačiau iš rinkos tyrimo ataskaitų (DTechX, 3D Bioprinting 2014–2024: Applications, Markets and Players, March 2014; Roots Analysis Private Ltd., 3D Bioprinting Market 2014–2030, March 2014) aiškėja, kad esame tolokai nuo prototipų generavimo fazės, vis dar užstrigę „technologijų paleidimo“ etape, spausdinami tik atraminiai, pagalbiniai organų fragmentai, imitacijos ar mini kopijos. Todėl investuotojų azartas investuoti ilgainiui gali kristi. Tiesa, šiuo metu investicijų skaičiai vis dar auga. 

Čia reikia apžvelgti ir labai gausiai registruotų patentų aplinką, kurioje kompanijoms ir mokslininkams tenka dirbti. Trimačio spausdinimo patentavimo ypatybės (sunkumai) apima atskiro patentavimo kodo nebuvimą, dar nenusistovėjusią terminologiją (kuri vis dar kuriama), daugybę paralelinių pagalbinių patentų medžiagoms ir lydintiems procesams, kur pats trimatis spausdinimas nėra aiškiai minimas ir pan. Tokiomis sąlygomis apžvelgti patentavimo apimtis ir rasti konkrečių paraiškų yra labai sudėtinga. Vienas iš bandymų apžvelgti pateiktas čia: http://www.colleripmanagement.com/downloads/3D%20Bioprinting%20of%20human%20transplant%20organs%20-%20A%20patent%20landscape.pdf. Autoriai teigia, kad didesnė patentų trimačio spausdinimo srityje dalis reguliuoja biojutiklių, mažų medicininių priemonių bei implantų spausdinimą. Nemaža dalis patentų aprašo vaizdų apdorojimo technologijas, kurios įgalina kurti modelius trimačiam spausdinimui.

Nemažai patentų registruota biorašalo kūrimo sferoje. Audinių ir organų specializacijos prasme daugiausia patentų skirta kaulinio audinio spausdinimui ir ląsteliniams implantams, skirtiems kaulams atkurti. Autoriai identifikuoja gausiausiai technologijų turinčias įmones ir įstaigas: iš privačių kompanijų tai minėtos „Organovo“ ir „Therics“, na o iš akademinių institucijų – tai Drekselio universitetas ir Masačusetso technologijų institutas. Be to, paminėtini Wake Forest universitetas, Virdžinijos, Teksaso ir Misūrio universitetai bei JAV karinės jūrų pajėgos. Daug registruota ir privačių išradėjų patentų. 

Perspektyvos

Kol spausdinsime gyvybingus, visaverčius organus persodinimui praeis dar bent dešimtmetis. Visgi šioje srityje tikimasi spartaus augimo. Tai apima ir intelektinės nuosavybės kiekio, ir mokslinių tyrimų, ir investicijų, ir realios gamybos sferas. Tikimasi naujų audinių karkasų kūrimo ir ląstelių apgyvendinimo technologijų. Klausimai dėl ląstelių ir organų gyvybingumo po spausdinimo bei organo perfuzijos turės būti išspręsti. Reikia didinti ir spausdinimo raišką. Trimačio biospausdinimo intelektinės nuosavybės turinio svarba yra be galo didelė ir kiekvienas naujas atradimas gali labai pajudinti visos srities vystymąsi.

Paminėtina, kad trimačio spausdinimo atnešamų pokyčių laukiama ir ypač daug kainuojančioje farmacijos sferoje, nes čia trimatis spausdinimas gali žymiai sumažinti gamybos sąnaudas ir laiką. Kaip konferencijoje TED Talks 2012 metais pasakojo profesorė Lee Cronin iš Glazgo universiteto (http://www.ted.com/talks/lee_cronin_print_your_own_medicine.html), vaistai galės būti spausdinami paciento namuose, individualiai, – tereikės jam parduoti specifinio „rašalo“, karkasų ir suteikti prieigą prie spausdintuvo. Tokios vizijos ir galimybės gali visiškai pakeisti farmacijos kompanijų taktiką ir strategijas kuriant naujus vaistus. Be to, planuojama, trimatę spausdinimo techniką pasitelkti atsiradus naujam potencialiam terapiniam vaistui, t. y. jo išbandymui įvairiose 3D spausdintuvu spausdintose sistemose. Tam kuriami miniatiūriniai ar natūralaus dydžio organai, organų sistemos, organizmai „on chip“ ir pan. (http://www.wakehealth.edu/News-Releases/2013/Wake_Forest_Baptist_Leads_$24_million_Project_to_Develop_%E2%80%9CBody_on_a_Chip%E2%80%9D.html). Džiugu, kad naujos testavimo sistemos domina ir pačias farmacijos milžines. 

Ryškiausi veikėjai ir sėkmės istorijos

Yra daug kompanijų parduodančių biospausdintuvus laboratoriniams eksperimentams ir kitiems tikslams. Be to, literatūroje gausu sėkmės istorijų ir detaliai parašytų gydymo scenarijų bei mokslinių eksperimentų. Čia apžvelgiame įdomiausius.

„Organovo“

Įmonėje kuriami funkcionalūs ir visaverčiai žmogaus audiniai naudojant „savitą, individualią trimačio spausdinimo technologiją“ (Organovo – About Us. Available at http://www.organovo.com/company/about-organovo). Mokslininkams siūlomas „Organovo“ spausdintuvas – „NovoGen MMX Bioprinter“, kurį JAV žurnalas „TIME“ išrinko geriausia 2010 metų inovacija. Kompanijos atstovai teigia, kad gali spausdinti žmogaus kepenis ir turi veiklų prototipą. Ši kompanija ypatinga tarp panašių įmonių tuo, kad jos akcijos parduodamos akcijų biržoje. Nors pelno iki šiol negeneruojama, investicijų buvo pritraukta gausiai, daugiau nei 550 milijonų JAV dolerių. „Organovo“ viceprezidentas Michael Renard teigia, kad reikia dar dešimtmečio, kol imsime tinkamai gaminti trimačius organus, ir tik didelės investicijos gali sutrumpinti šį vystymosi laikotarpį.

Minėtas plataus užmojo dirbtinių kepenų kūrimo projektas buvo pradėtas 2013 metais. Įmonės tyrėjai atspausdino miniatiūrinę žmogaus kepenų versiją. Šios kepenys buvo sudarytos iš trijų skirtingų ląstelių tipų, paskirstytų dvidešimtyje sluoksnių, tinkamai išdėstytų vieni kitų atžvilgiu (3 pav.). Pagamintos kepenys buvo vos 4 mm x 1 mm dydžio. Eksperimentai parodė, kad modelio ląstelės vykdo įprastas kepenų funkcijas ir tarpusavyje glaudžiai sąveikauja (Organovo Holdings, Inc. Organovo Describes First Fully Cellular 3D Bioprinted Liver Tissue, 04/22/2013).

2

3 pav. Dirbtinės kepenys sudarytos iš hepatocitų (mėlyni), endotelio ląstelių (raudonos), HSC ląstelių (žalios). Organovo Holding, Inc. PRNewswire.

„EnvisionTEC“

Tai vokiečių kompanija. Jos atstovai skelbia, kad jie pasaulyje pirmauja trimačio biospausdinimo paslaugų teikimo srityje. Specializacija apima medicinos, žandikaulių ir dantų chirurgijos priemones, juvelyrinius dirbinius ir žaislus. Be to, „EnvisionTEC“ turi biogamybos įrenginių, tarp kurių paminėtinas BioPlotter® spausdintuvas. Tai įrenginys, parduodamas jau nuo 2001 metų, jo įsigijimo kaina nesiekia 200 000 JAV dolerių (Tech Guru Daily, 3D Printer Wants to Print Human Organs, July 10, 2010. Available at http://www.tgdaily.com/general-sciences-features/50596-3d-printer-wants-to- print-human-organs#4O61OY0YX6uUGCBK.99). BioPlotter® spausdintuvu galima kurti labai įvairaus pobūdžio organines ir neorganines struktūras. Sistema parduodama su programine valdymo įranga.

„GeSim“

Privati vokiečių kompanija „GeSim“ įsikūrė kaip „spin-off“ įmonė prie Rosendorfo mokslų centro ir specializuojasi labai smulkių tūrių panaudojimo srityje (submikrolitrų). Jų sukurtas biospausdintuvas „BioScaffolder 2.1“ gali spausdinti karkasus audinių inžinerijai. Skelbiama, kad Olandijos vyriausybė, kurdama Utrechto gyvybės mokslų centre mokslinę biofabriko laboratoriją įsigijo „GeSim“ sukurtą „BioScaffolder“ spausdintuvą už 1 milijoną JAV dolerių. 

„OxSyBio“

Tai dar viena „spin-off“ kompanija, šįkart prie Oksfordo universiteto. Specializuojasi audiniams giminingų sintetinių matricų kūrime žaizdoms gydyti ir vaistų pristatyme. Tarp jų tikslų yra ir sintetinių audinių, skirtų organų transplantacijai ir atkūrimui, spausdinimas. Neseniai jie gavo daug investicijų (daugiau nei 1 milijoną Didžiosios Britanijos svarų sterlingų), kad kartu su įmone „IP Group“ kurtų 3D lašelių spaudinimo technologiją. 

„regenHu“

Šveicarų kompanija „regenHu“ siūlo įvairių biogamybos sprendimų: keleto tipų 3D biospausdintuvus, biorašalą ir 3D audinių modeliavimo programinę įrangą. Jų sukurtas BioFactory® yra ir 3D biospausdintuvas, ir inkubatorius, kuriame ląstelėms tinkamoje aplinkoje gimsta organotipiniai audiniai. 

Viena laiminga spausdinto organo istorija

2013 metais JAV gydytojai išgelbėjo vieno kūdikio gyvybę, atspausdinę 3D detalę, neleidžiančią vienam iš bronchų, pagrindiniam trachėjos atsišakojimui, užsiverti. Be jo kūdikis nebūtų galėjęs kvėpuoti ir būtų miręs. Pirmiausia, gydytojas Glenn Green iš Mičigano universiteto, pasitelkęs kompiuterinę programą, sukūrė detales: platesnio nei bronchas skersmens vamzdelį su įpjovimu, kuriame turėjo būti pragręžta smulkių skylučių. Skylutės pagelbėjo prisiuvant vamzdelį prie silpnos broncho sienelės. Baigus kurti skaitmeninį modelį, 3D spausdintuvas išspausdino detalę iš biologiškai skaidomo plastiko (4 pav.). Po operacijos prabėgus septynioms dienoms gydytojai pradėjo pratinti berniuką kvėpuoti savarankiškai, vėliau buvo ištrauktas orą tiekiantis vamzdelis ir toliau berniukas kvėpavo normaliai. Maždaug po trejų metų, papildoma detalė laipsniškai suirs, kremzlinė broncho sienelė atsinaujins ir vaiko bronchas jau bus pakankamai sustiprėjęs ir išliks atviras (Zopf DA, Flanagan CL, Wheeler M, Hollister SJ, Green GE. Treatment of severe porcine tracheomalacia with a 3-dimensionally printed, bioresorbable, external airway splint. JAMA Otolaryngol Head Neck Surg. 2014; 140(1): 66-71).

3 3-1

4 pav. Vaizdas iš http://www.uofmhealth.org/news/archive/201305/baby%E2%80%99s-life-saved-groundbreaking-3d-printed-device.

Veido atkūrimo bandymas

2013 metais 60-mečiui anglui 3D spausdintuvu buvo atspausdintas naujas silikoninis veidas, tiksliau, jo dalis. Dar tiksliau, kaukė. Veido dalys nukentėjo šalinant didelį piktybinį auglį. Kairėje veido pusėje vietoj akies, skruostikaulio ir pusės žandikaulio žiojėjo skylė. Gydytojai nuskenavo vyro veido pusę, parengė veidrodinį atvaizdą ir sluoksnis po sluoksnio 3D spausdintuvu atspausdino naują veido dalį (5 pav.). Magnetai, įgręžti į kaukolę, padėjo pacientui lengvai dėvėti kaukę, kuri uždengė veido ertmę, todėl vyrui buvo grąžintas pirminis veido vaizdas (Dawood A, Tanner S, Hutchison I., Computer guided surgery for implant placement and dental rehabilitation in a patient undergoing sub-total mandibulectomy and microvascular free flap reconstruction. J Oral Implantol. 2013 Aug; 39(4):497-502).

1-21

5 pav. Vaizdas iš http://www.dailymail.co.uk/health/article-2304637/Surgeon-uses-3D-printing-technology-make-cancer-patient-new-face.html.

Implantai veido ir žandikaulių chirurgijai

2012 metais olandų gydytojai, nuskenavę moters žandikaulio ertmę ir pagal gautus duomenis sumodeliavę tinkamą modelį, atspausdino titano žandikaulį (apatinį) (6 pav.). Proceso metu buvo panaudoti titano milteliai, jie buvo liejami sluoksnis po sluoksnio ir sulydomi mikroskopiniu lazeriu. Paprastai naudojant chirurginį metodą, tokią žandikaulio atkūrimo operaciją gydytojai darydavo apie 20 valandų, gydymas trukdavo dar kelias savaites. Pasitelkus naujausias technologijas, viskas buvo atlikta per kelias valandas, o ligonė po keturių dienų buvo išleista namo (Lethaus B, Ter Laak MP, Laeven P, Beerens M, Koper D, Poukens J, Kessler P, A treatment algorithm for patients with large skull bone defects and first results. J Craniomaxillofac Surg. 2011; 39(6):435-40).

2

6 pav. Apatinis titano žandikaulis (http://www.gizmag.com/first-3d-printed-lower-jaw-implant/21383/pictures).

Inkstų šablonai

2012 metais Roland Partrige iš Edinburgo universiteto (Škotija) nuskenavo pelės inkstą ir kompiuteriu parengė vidinės organo struktūros 3D šabloną, į kurį teoriškai būtų galima perkelti ląsteles (7 pav.). Šablonų naudojimas ir tyrimai juose yra labai svarbūs – tai įgalina priartėti prie realių funkcionalių organų su ląstelių užpildu spausdinimo. Inkstams, kaip ir daugeliui organų būdinga sudėtinga struktūra, o jų veikla priklauso nuo įvairių tipų ląstelių, specifiškai išsidėstančių viena kitos atžvilgiu. Teoriškai, sėkmingai perkėlę įvairias ląsteles į atspausdintą plastikinį inkstą ir išdėstę jas reikiamoje architektūroje, galėtume gauti naują inkstą (Partridge R, Conlisk N, Davies JA., In-lab three-dimensional printing: an inexpensive tool for experimentation and visualization for the field of organogenesis. Organogenesis. 2012; 8(1):22-7)

3

7 pav. Pelės inksto 3D šablonas (Partridge R., 2012).

Mėginimai spausdinti odą

2013 metais Stefanie Michel iš Hanoverio medicinos mokyklos (Vokietija) sugebėjo atspausdinti gyvybingos odos fragmentą (8 pav.). Oda yra sudėtingas organas, sudarytas iš kelių ląstelių tipų, kurie turi būti išdėstyti tam tikra tvarka. Pirmiausiai 3D spausdintuvu tyrėjai atspausdino 20 sluoksnių fibroblastų – ląstelių, sudarančių apatinį odos sluoksnį. Vėliau jį padengė 20-imi keratinocitų sluoksnių, kurie sudarė epidermį. Buvo atspausdinti 6 mm skersmens odos fragmentai. Jie buvo persodinti pelei, prieš tai pašalinus sveiką, panašaus dydžio odos lopinėlį. 3D spausdinta oda labai gerai prigijo ir po 11 dienų buvo sunku atskirti ją nuo natūralios (Michael S, Sorg H, Peck CT, Koch L, Deiwick A, Chichkov B, Vogt PM, Reimers K. Tissue engineered skin substitutes created by laser-assisted bioprinting form skin-like structures in the dorsal skin fold chamber in mice. PLoS One. 2013; 8(3):e57741).

4

8 pav. A ir D normali pelės oda, sugijusi po pažeidimo. B ir E prieš gijimą įsodintas 3D spausdintos odos gabalėlis. C ir F neliesti odos lopinėliai.

Audinių inžinerija Lietuvoje 

Nors Lietuvos mokslininkai tiesiogiai nespausdina 3D organų, bet aktyviai bendradarbiauja su švedų mokslininkais, kurie tai atlieka.

Lietuvos mokslininkų grupė iš Fizinių ir technologijos mokslų centro Nanoinžinerijos skyriaus (vadovaujama dr. Ramūno Valioko) bei Švedijos audinių inžinieriai iš Linčiopingo universiteto (prof. May Griffith mokslininkų grupė), dirbdami kartu kuria biomimetinius peptidus bei peptidinius karkasus, skirtus audinių inžinerijai ir regeneracinei medicinai. Tai nauja ir graži „spin off“ tipo pradžia Lietuvoje.

Jų karkasai kuriami nanotechnologijų metodais. Tai iš esmės yra sumanios medžiagos, kuriose užprogramuotos instrukcijos audiniams ir organams regeneruotis. R. Valioko laboratorija yra sukūrusi miniatiūrizuotos gamybos metodus, kuriais galima efektyviai kurti akies ragenos biosintetinio implanto prototipus. Švedų mokslininkai paruošia implantą, jį sintetina. Tolesniame etape, norint pritraukti reikalingas ląsteles, kad implantas tinkamai funkcionuotų, sintezuojama speciali implanto paviršaus danga, reaguojanti su gyvais audiniais ir paciento ląstelės skatinamos integruotis implante. Tai jau yra lietuvių mokslininkų patirtis ir užduotis.

Nanoinžineriniai paviršių formavimo metodai svarbūs ne tik ragenos paviršiui modifikuoti. Daugybę sukurtų naujų gydymo ar diagnostikos strategijų mokslininkai išbando jau nebe gyvūnų modeliuose, o organizmui maksimaliai artimose mažose sistemose. Kuriant tokias sistemas (organų ant lustų, laboratorijų ant lustų) pasižymėjo ir ši grupė (Maskoliūnas R., Mokslas ir IT, 2014-11-04).

Lecturer