3D-принтинг в биомедицине: оборудование, задачи, области применения

Специалисты создают имплантаты, протезы, функциональные органы для животных и некоторые ткани для человеческого организма. А уже в 2025 году, по оценке Петра Тимашева, директора института регенеративной медицины Первого МГМУ имени И.М. Сеченова, может стать реальностью принтинг полноценных человеческих органов* (по материалам эфира «УТРО РОССИИ» от 07.06.2019). 

В то же время, ученые используют 3D-принтинг для решения биомедицинских задач. В частности – для поиска новых методов лечения человеческого организма: печатают трехмерные «органы на чипе», создают малоинвазивные инструменты и устройства с точечным взаимодействием. В этой статье мы расскажем про оборудование и способы применения объектов 3D-печати в области биомедицины.

Оборудование для 3D-принтинга в биомедицине

Процесс 3D-принтинга объектов для биомедицины состоит из трех основных этапов: изучение свойств материала, создание трехмерной томограммы объекта печати и непосредственно сама печать.

1. Изучение свойств материала

Для изучения свойств материалов, которые впоследствии станут прообразом объектов 3D-печати, используют электронный микроскоп.
ZEISS EVO позволяет исследовать образцы с разрешением до нескольких нанометров, в том числе – непроводящие образцы без пробоподготовки.

 

 

2. Создание трехмерной томограммы объекта печати

Для создания трехмерной томограммы объекта применяют рентгеновский микроскоп. ZEISS Xradia или ZEISS Xradia Context microCT позволяют исследовать объекты неразрушающим методом, изучать их микротомографию в объеме с пространственным разрешением вплоть до десятков или сотен нанометров.

 

 

3. Печать

Подготовленный объект печатают на литографе. Результатом печати становятся фотонные кристаллы, оптические метаматериалы, скелеты под рост клеток и функционализацию для биологии, канальные схемы для микро- и нанофлюидики, а также прототипы механических метаматериалов.

Nanoscribe Photonic Professional GT2 с помощью метода двухфотонной полимеризации позволяет синтезировать объемные микро- и субмикронные структуры сложной формы и с деталями размером до 100 нанометров. 

Способы применения 3D-объектов для биомедицинских научных исследований

Биомедицинские объекты, созданные с помощью 3D-печати, различаются по «масштабам» структур:

• Масштаб отдельных клеток, порядка 10 мкм – так называемые «органы на чипе»;
• Масштаб человеческого волоса, 50-100 мкм – «малоинвазивные инструменты» и «устройства с выборочным взаимодействием».

Масштаб отдельных клеток – 10 мкм

Ученые печатают миниатюрные модели органов для исследования поведения клеток в режиме реального времени и для долгосрочных экспериментов. С помощью таких моделей можно наблюдать за ростом ткани и влиять на него с помощью лекарственных средств или токсинов, изучать ключевые механизмы распространения заболеваний и способы их лечения.

Печать трабекулярной кости для изучения адгезии клеток

Ученые из Италии напечатали трабекулярную кость по рентгеновским томограммам из медицинской картотеки по травматологии. Кость поместили в специальную клеточную среду для дальнейшего изучения клеточной адгезии. Результаты планируют использовать в области тканевой инженерии и регенеративной медицины.

Создание модели гематоэнцефалического барьера на чипе

В другой работе та же группа ученых напечатала пористую микротрубку (IP-Dip) и высадила на нее клеточные колонии: эндотельные – типа bEnd.3 и U87 клетки глиобластомы для моделирования процессов переноса клеток под давлением кровеносной системы. Результаты исследования могут быть использованы для изучения задачи «доставки лекарственных средств» при заболеваниях головного мозга.

Масштаб 50-100 мкм

Печать ловушек для раковых клеток

Другой коллектив ученых из Италии напечатал мелкоячеистые структуры и высадил на них раковые клетки. Ученые изучали инвазивность клеточных линий, подвижность клеток и их способность пересекать поры различного размера, что непосредственно связано с процессом появления метастаз. Это позволило установить пороговое значение площади пор, способное различать онко-клетки.
Компания SmartCatch (Франция) уже использует подобные структуры-ловушки на практике. Они помогают купировать процессы появления метастаз.

Создание малоинвазивных инструментов

Создание микромашин для переноса лекарственных средств