Распустить роборуки: 3D-биопечать на коже улучшит заживляемость ран
Ученые разработали новую технологию ЗD-биопечати кожных покровов для лечения ран непосредственно на пациенте. Такая операция производится с помощью усовершенствованной роборуки — шарнирного манипулятора, а в качестве «чернил» используется биовещество с содержанием живых клеток. Для реализации технологии специалисты оснастили устройство специальными насадками, датчиками и контроллерами и разработали необходимое программное обеспечение. Эксперты предполагают, что метод будет эффективен при лечении ран со сложной геометрией, ожогов и хронических дефектов кожи.
Печать на коже
Ученые в НИТУ МИСИС разработали технологию лечения ран и других дефектов кожи методом 3D-биопечати. Он осуществляется непосредственно на теле пациента. В качестве «чернил» ученые используют гидрогель с живыми клетками и питательными веществами для них. А в качестве печатного устройства применяют роборуку — шарнирный манипулятор с шестью степенями свободы, который был особым образом усовершенствован.
Доработки, сделанные учеными, включают в себя комплекс устройств, позволяющих наносить биовещество на поверхность равномерно и безопасно. В том числе сканер для создания трехмерной модели раны и контроллер, который отслеживает мельчайшие изменения состояния поверхности для печати. Они, в частности, могут быть спровоцированы дыханием, мышечными судорогами и другими непроизвольными движениями пациента. Кроме того, установка оснащена устройством, которое позволяет точно дозировать объем субстанции.
Вместе с тем ученые разработали специальную программу, которая позволяет оборудованию самостоятельно выстраивать правильную траекторию движения манипулятора и осуществлять процесс нанесения нового покрытия на рану без участия оператора.
Инженер Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Александр Левин
— Преимущество нового метода по сравнению с печатью на обычном стационарном биопринтере заключается в том, что нанесение биовещества производится непосредственно в поврежденную область. В дальнейшем организм человека становится своеобразным биореактором, который доращивает нанесенные на него клетки, — рассказал «Известиям» один из разработчиков технологии, инженер Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Александр Левин.
Он добавил, что важная особенность метода 3D-биопечати на месте состоит в том, он учитывает рельеф раны. В результате укладываемое биовещество плотно прилегает к тканям организма и хорошо срастается с ними. При этом капилляры (мельчайшие кровеносные сосуды) опутывают новый кожный покров и включают его в общую систему обмена веществ.
При этом ученый уточнил, что в «чернилах» для 3D-биопечати используют собственные клетки пациента, которые нужно заранее получить и успеть вырастить. Поэтому метод будет востребован при лечении ран, которые требуют длительной медицинской терапии. Например, термических и химических ожогов. Также он поможет при врачевании кожных хронических заболеваний, таких как кожные язвы или экземы.
Еще технологию можно применять в системах, где предварительно накоплены банки клеточных материалов возможных пациентов. Например, на судах дальнего следования, в длительных экспедициях в Арктике, в космосе, в подводном мире и других подобных случаях.
Интуитивно понятно
Ученый также отметил, что предложенная технология позволяет избавиться от установок для отдельного выращивания новых кожных покровов и оборудования для хранения напечатанного биоизделия и его транспортировки.
— Еще одно достоинство роборуки в том, что она занимает мало места. При необходимости ее можно свернуть и убрать в уголок. Поэтому такую установку можно без особых сложностей разместить в операционном блоке в качестве одного из приборов, который помогает врачу. Также можно представить ее в составе мобильного быстровозводимого госпиталя, — сообщил Александр Левин.
Он добавил, что технология разрабатывалась таким образом, чтобы выполнить операцию по 3D-печати клеток смог обычный специалист. То есть всё оборудование интуитивно понятно.
В настоящий момент, по словам Александра Левина, научная команда исследует возможности внедрения в технологию алгоритмов искусственного интеллекта. Это даст возможность быстрее и точнее определять параметры раны и правильнее предсказывать микродвижения пациента во время операции.
— Предложенный метод поддерживает естественные химические и биофизические сигналы в организме, что способствует скорости и эффективности восстановления поврежденного участка кожи. Кроме того, он исключает этапы хранения, транспортировки и обработки биологического материала, которые содержат опасность его загрязнения и инфекционного заражения. Поэтому технология видится перспективной, — рассказала «Известиям» научный сотрудник Федерального центра мозга и нейротехнологий Вероника Усатова.
Она отметила, что главная сложность 3D-биопечати на месте заключается в изготовлении структур на сложных поверхностях, подверженных движениям и возмущениям. В своей работе ученые продемонстрировали успешное решение этого ограничения.
Сложности внедрения
— Благодаря биопечати прямо в области раны «созревание» тканеинженерной конструкции будет происходить прямо в организме человека. Это позволит сократить время подготовки напечатанной конструкции в лаборатории. Обычно это занимает несколько недель, — полагает директор Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета Минздрава РФ Петр Тимашев.
Вместе с тем эксперт отметил проблемы, связанные с реализацией этой технологии. По его словам, в настоящий момент остаются актуальными вопросы воссоздания сложных структур кожи, таких как сальные и потовые железы, волосы, которые необходимы для полного восстановления функции покровов.
— На данный момент вырастить полноценную кожу в лаборатории не получается. Есть хорошие результаты кожным эквивалентам — это гидрогелевые пласты, которые содержат различные клетки кожи. Но это не полноценная кожа, а ее заготовка, — считает руководитель Центра превосходства персонифицированной медицины Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета Альберт Ризванов.
Он пояснил, что на практике специалисты пока просто наносили такие гидрогели с клетками вручную. В работе ученых продемонстрирована возможность создания роботизированной системы, которая, безусловно, позволит это делать более точно, отметил эксперт. Вместе с тем он выразил надежду, что разработчикам удастся сделать приемлемую стоимость оборудования при внедрении технологии в широкую практику.
— Сложность внедрения в клиническую практику технологий 3D-биопечати состоит в том, что требуется сертификация всех ее составляющих по отдельности. Это и биопринтер как медицинский прибор. И материал для печати (в ряде случаев он регистрируется в качестве фармацевтической субстанции). И, кончено, клеточный материал, — пояснил «Известиям» управляющий партнер лаборатории биотехнических исследований 3D Bioprinting Solutions Юзеф Хесуани.
При этом он напомнил, что согласно закону «О биомедицинских клеточных продуктах» с апреля 2024 года государственная регистрация таких субстанций, произведенных в медицинском учреждении непосредственно для конкретного пациента, будет не нужна. Данные изменения в законодательстве, возможно, приведут к положительной динамике внедрения и использования тканеинженерных конструкций, считает эксперт.
Ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова, в свою очередь, отметила, что разработки ученых опираются на отечественное оборудование и технологии. В том числе один из самых сложных элементов предложенной технологии — роборука — создан российскими биоинженерами. По ее словам, это придает уверенности в успешной реализации проекта.
