Биопечать здесь и сейчас

На российский рынок вышел биопринтер, который печатает прямо на пациенте. Биополимер во время операции подается in situ, то есть сразу в рану

Комплекс создан в рамках национального проекта «Новые технологии сбережения здоровья» совместно с пионерами в области биопечати в России — компанией 3D Bioprinting Solutions.

Роботическая система тоже российская, от компании «Робопро». В разработке биопринтера принимали участие магистранты передовой инженерной школы НИТУ МИСИС «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии». Оборудование создается на опытно-промышленном производстве медицинских изделий университета.

С помощью прототипа этого биопринтера в Главном военном клиническом госпитале им. академика Н. Н. Бурденко в конце 2023 года была проведена первая в мире операция с биопечатью на пациенте.

Комплекс предназначен для восстановления тканей и органов непосредственно в ране. Устройство сканирует дефект, создает его трехмерную карту. Биопечать производится по заданной траектории в среднем за пять минут. Прибор адаптируется под дыхание пациента, с ним совместимы разные виды гидрогелей.

ПОДДЕРЖАТЬ НАШИХ

Биопринтер можно заказать на сервисе «Наша Лаба». Этот сервис предназначен для поиска и подбора научного оборудования и расходных материалов, произведенных в России и Беларуси. Мы поговорили с одним из вдохновителей этой идеи, соавтором проекта «Наша Лаба», доктором химических наук, профессором РАН Сергеем Адониным. Он является заместителем директора по научной работе ФИЦ «Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского» СО РАН, а также членом Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте РФ по науке и образованию, который и стал инициатором создания сервиса.

«Сервис “Наша Лаба” был организован в 2022 году, когда стало понятно, что с российского рынка могут уйти многие производители научного и инженерного оборудования (забегая вперед, скажем: ушли не все, а некоторые потом вернулись). С одной стороны, это создавало риски для наших ученых, с другой — открывало новые возможности для отечественных производителей самого разного оснащения (приборов, реактивов, мебели, посуды), давая им шанс, по сути, завоевать домашний рынок или хотя бы его долю», — отметил Сергей Адонин.

Еще в середине 2010-х, будучи руководителем небольшой группы, Адонин задавался вопросом, в какой степени можно оснастить научную лабораторию товарами отечественного производства. Оказалось, что в России делают очень разнообразную продукцию, но многие компании плохо умеют продвигать себя на рынке.

«Еще тогда я думал, что здорово было бы сделать каталог “продуктов научно-инженерного обихода” made in Russia, но тогда идея забылась. В 2022-м же по очевидным причинам я вспомнил о ней вновь», — говорит ученый.

Сейчас в каталоге около 23 тыс. товаров от почти 900 компаний. В основном все это произведено в России; единственная страна, для которой сделано исключение, — это Беларусь, партнер по Союзному государству. В каталоге — оснащение для лабораторий самых разных научных направлений (приборы, реактивы, мебель, посуда, а с недавних пор и программное обеспечение). Участие в проекте бесплатное: любая российская или белорусская компания может завести личный кабинет и загрузить туда свои товары. По отзывам участников, многим это помогло существенно увеличить продажи.

ВМЕСТО ПЕРЕСАДКИ КОЖИ

Но вернемся к биопечати. История этого направления началась в 2003 году. Автором первой в мире публикации был Владимир Миронов, статья послужила отправной точкой в развитии исследований. Сейчас он научный руководитель лаборатории биотехнологических исследований компании 3D Bioprinting Solutions и профессор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС. 3D Bioprinting Solutions была основана в 2013 году и стала пионером отечественного биопринтинга. Уже через год компания представила первый российский биопринтер «Фабион». До сих пор он входит в топ-5 биопринтеров мира. А еще через год на нем напечатали первый в мире орган — щитовидную железу. Она полноценно функционировала и вырабатывала гормон. Эту щитовидку пересадили лабораторной мыши.

До недавнего времени в основном развивался классический вариант биопринтинга, когда печать идет на неподвижной подложке. С помощью этой технологии создаются эквиваленты тканей и органов для плановых операций. В качестве примера можно привести проект, который НИТУ МИСИС проводил совместно с Центром оториноларингологии ФМБА России: была выращена ушная раковина. Можно создавать также хрящи для пересадки, участки кровеносных сосудов и так далее.

Сама печать идет несколько часов, но для нее в течение примерно полутора месяцев необходимо готовить клетки. Ведь для печати используется не просто синтетический материал, пластик, а еще и клетки самого пациента: надо взять немного клеток, размножить их, и из этой массы начинать формировать сложный орган.

«Но в какой-то момент мы поняли, что с точки зрения биопечати еще не охвачено направление ургентной (неотложной) хирургии, то есть помощи тем пациентам, с которыми надо работать здесь и сейчас. И мы начали развивать совместно с нашими партнерами направление in situ биопечати», — рассказал “Стимулу” директор Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС, доктор физико-математических наук Федор Сенатов. — Благодаря этой технологии появляется возможность работать непосредственно с раной, но возникает и ряд сложностей. Если взять обычный биопринтер, то он печатает на плоскости, а человек совсем не плоскость. Если надо запечатать рану, то проблема в том, что она сложнорельефная. Кроме того, человек дышит, и если, например, рана находится в области брюшины, то из-за дыхания идет постоянное изменение поверхности: она поднимается и опускается. А значит, принтеру надо все время подстраиваться под изменяющиеся условия.

«Раны могут быть большими, диаметром десять-пятнадцать сантиметров, когда отсутствует участок кожи и мягких тканей под ним, — рассказывает Федор Сенатов. — На такой ране мы проводили нашу первую операцию в конце 2023 года. Отсутствовал участок кожи и мягких тканей, и он запечатывался тем составом, который потом стимулирует регенерацию. Это клетки самого пациента, совмещенные с коллагеном».

Биопринтер печатает на ране сложную трехмерную структуру, состоящую из взаимопроникающих каналов и пор, чтобы могли прорастать и собственные кровеносные сосуды для обеспечения питанием тех участков, которые начинают регенерироваться.

«То, что мы делаем, официально называется биоэквивалент ткани, — поясняет Федор Сенатов. — Ведь кожа состоит из многих слоев, из многих типов клеток. Мы берем не все клетки и не воспроизводим идеально кожу, но мы создаем то, что является ее эквивалентом и потом простимулирует регенерацию. Эта операция заменяет пересадку кожи и заполнение пустот, полостей раны. Мы можем работать с ожогами или с какими-то другими повреждениями».

ОБЩЕЕ С РОБОТОМ ДЕЛО

В основе устройства — роботический манипулятор, роборука, на конце которой находится биопринтер с системой компьютерного зрения. Эта система отслеживает изменения поверхности, определяет границы раны, если у человека открытая рана мягких тканей, подстраивается под дыхание человека, и принтер начинает запечатывать пустоты либо с использованием клеток пациента, либо, например, коллагена для заполнения раневых дефектов.

«С тех пор как в 2023 году мы провели первую в мире операцию по печати на человеке, — рассказывает исследователь, — мы улучшаем нашу разработку, делаем разные модификации, потому что у каждой организации — свой профиль. Кто-то специализируется на травмах суставов, тогда нужны одни подходы, кто-то — на травмах кровеносной системы, в области нейрохирургии и так далее. Даже точность печати в нейрохирургии и, к примеру, в ортопедии — совершенно разные. Первые биопринтеры мы собрали на нашем опытном участке промышленного производства в МИСИС».

Проект роботической печати на человеке — это по-настоящему междисциплинарная работа. В нем трудятся биоматериаловеды, потому что необходимо понимать, к примеру, какая вязкость должна быть у гелей с клетками, чтобы они не растекались в ране. Биологи выясняют, выживут ли клетки при прохождении через биопринтер, сколько времени смогут эти клетки оставаться живыми в ране человека, что с ними будет, при каких условиях. Медики исследуют, как работать с конкретным типом ткани, не будут ли печатаемые эквиваленты ткани сползать из раны, ведь они должны в ней фиксироваться. В проекте заняты инженеры, а также программисты, потому что необходимо создать программное обеспечение, провести машинное обучение, чтобы принтер распознавал раны. Ведь принтер сам видит рану, определяет ее границы и начинает ее запечатывать.

«Это очень большая, сложная команда. Именно поэтому мы начали готовить специалистов, обладающих сразу несколькими подобными компетенциями. В МИСИС есть направление подготовки биомедицинских инженеров, биоматериаловедов, нейроинженеров. К примеру, последние помимо инженерной подготовки учатся понимать особенности взаимодействия материалов и клеток, изучают нервную систему, ткани мозга», — поясняет Федор Сенатов.

Исследователи плотно работают с партнерами из «Робопро» — это российская компания, которая изготавливают роботические манипуляторы.

«Мы разрабатываем и производим промышленных коллаборативных роботов, но, поскольку такой тип роботов отличается компактными размерами и безопасен для человека, наша продукция применяется во многих сферах за пределами промышленности, в том числе в медицине. Поэтому мы с радостью откликнулись на предложение коллег из Института биомедицинской инженерии МИСИС об участии в проекте, тем более в таком знаковом и важном для нашей страны», — рассказали «Стимулу» в «Робопро».

Каких-либо принципиальных отличий между роботами из разных сфер нет: и в промышленности, и в операционной применяется одна и та же конструкция, только на медицинский вариант надевается защитный чехол. «Основными трудностями при разработке были короткие сроки, высокие стандартны отрасли, а также проблемы с компонентами, которые не производятся в России. Многое пришлось разрабатывать и производить самим. Но мы через это прошли, и у нас получился продукт, способный работать круглосуточно и по техническим характеристикам не уступающий зарубежным аналогам, а в части ПО и превосходящий изделия многих конкурентов», — говорят в компании.

ОБОЙТИСЬ БЕЗ ХИРУРГА

«Ближайшие перспективы — это дальнейшее движение в область клиники в различные направления, потому что сейчас мы работаем с поверхностными ранами, а наша цель — идти дальше, внутрь человека и проводить малоинвазивные операции по выращиванию тканей. Но сначала необходима регистрация медицинского изделия, разрешение для повсеместного использования. К 2027 году мы надеемся начать клиническое применение для работы с ранами», — поделился планами Федор Сенатов.

По его словам, подобные технологии — очень важный шаг на пути к полной роботизации, когда при проведении операции можно будет обойтись без хирурга. Уже сегодня начинают применять компьютерное зрение. Со временем оно будет сопряжено с искусственным интеллектом, чтобы робот принимал самостоятельные решения.

Если говорить об этапах развития, то первый — это залечивание ран и печать плоских органов (кожа, хрящ и т. д.). «Сейчас мы уже можем залечивать плоские дефекты, но скоро перейдем к печати трубчатых органов (к примеру, кровеносных сосудов, трахеи). А самое сложное, конечно, это печать функциональных органов — почек, печени», — говорит Федор Сенатов.

Печать трубчатых органов с последующей пересадкой человеку — это перспектива ближайших десяти лет, считает исследователь. А следующий этап — печать функциональных органов — невозможен без создания надежных кровеносных сосудов. И всех опередит тот, кто успешно напечатает первый кровеносный сосуд. Ведь без них клетки внутри крупных органов погибают.

Исследователи НИТУ МИСИС планируют получить первые сосуды к 2027 году. Главная проблема в том, как удержать форму искусственного сосуда, не дать ему схлопнуться. В университете в рамках передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии», партнером которой является госкорпорация «Росатом», идет разработка нескольких технологий магнитной биопечати: с помощью магнитного или акустического полей создаются небольшие части кровеносных сосудов.

Источник: https://stimul.online/articles/innovatsii/biopechat-zdes-i-seychas/