Печать человеческих органов при помощи био принтера. Введения в нанотехнологиии

2 Нанометр В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10 м). Размер объектов, с которыми имеют дело нанотехнологии, лежат в диапазоне от 0,1 до 100 нм. Наноразмерный масштаб используют для характеристики самых маленьких объектов, например, атомов и молекул. Нанометр очень и очень мал. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли. -9

3 Нанотехнологии Возникновение нанотехнологиий означает качественный скачок в философии получения практически важных нанообъектов - сложных устройств и систем, размеры которых находится в диапазоне размеров надмолекулярных образований и Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть упорядоченними фрагментами размером от 1 до 100 нм. Возникновение нанотехнологиий означает качественный скачок в философии получения практически важных нанообъектов - сложных устройств и систем, размеры которых находится в диапазоне размеров надмолекулярных образований и которые используют специфические для нанометрового уровня организации материи физические (квантование, туннелирование, резонансные явления и изменения структурных и термодинамических свойств, вызванных уменьшением размера частиц и пр.) и физико-химические (образование супрамолекулярных ансамблей, самосборка, самоорганизация и пр.) особенности.

4 Аксиома 1 Нанотехнологии не возникли внезапно и на пустом месте. Они являются междисциплинарной областью исследований, основанной на достижениях химии, физики, биологии, механики и других классических наук, а также связанным с закономерной эволюцией этих и других наук прорывом в разработке методов синтеза и анализа (в том числе – визуализации и моделирования) веществ и материалов. Для нанотехнологиий не только размер имеет значение. Важнейшими параметрами наносистем являются, как минимум, размер, размерность, упорядочение и функциональность. Учет всех этих характеристик порождает нано- и микроструктурированные материалы, обладающими наивысшим, как говорят, инновационным потенциалом и действительно способними определить весь дальнейший прогресс в нанотехнологиии. "Нанотехнологии - это новый взгляд на давно известные вещи.

Приоритеты -Углеродные наноматериалы, включая нанотрубки и производные фуллеренов для микро и наноэлектроники, экологии и медицины. -Органические и гибридные наноматериалы с уникальними характеристиками, недостижимыми для обычных материалов. -Полимеры и эластомеры новых поколений, содержащие нанообъекты или обладающие собственной наноструктурой, с программируемыми, нелинейними свойствами. -Кристаллические материалы со специальними свойствами, включая новые высокопрочные материалы. -Композиционные и керамические материалы, которые абсолютно незаменимы при получении новых покрытий и материалов, работающих в экстремальных условиях. -Мембраны и каталитические системы, необходимые для водородной энергетики, для создания топливных элементов и осуществления высокоэффективного тонкого органического синтеза. -Биосовместимые материалы. -Нанодиагностика и зондовые методы.

Наномедицина - комплекс подходов, обеспечивающих применение нанотехнологиических разработок в практической медицине и здравоохранении путем наблюдения и манипулирования биологическими системами на молекулярном уровне. Основные достижения наномедицины XXI века будут связаны с созданием новых биосовместимых наноматериалов с нетоксичной защитной оболочкой для медицинской диагностики, программируемой доставкой лекарств и лечением онкологических заболеваний. Нанороботы ассемблеры, которые смогут, двигаясь по кровеносной или лимфатической системам человеческого организма, находить больные клетки, осуществлять их диагностику и лечение, а потом покидать организм, не нанося ему никакого вреда.

7 Локальная гипертермия Онкологические заболевания (в год) в мире - более 10 млн. человек, в России – более полумиллиона. Выздоравливают в развитых странах - более 80%, в России - менее 60%. 1 смерть каждые 2 минуты! Метод гипертермии основан на магнитоуправляемой локализации в зоне опухоли магнитных наночастиц с последующим их уничтожением при разогреве безопасними дозами магнитного или (гораздо реже) микроволнового поля выше температуры 42 °С, при которой начинает происходить денатурация белков °С: гибель раковых клеток, выживание здоровых

Программируемая доставка лекарств Модель частицы нанолекарства Преимущества наносистем: Доставка вещества именно туда, куда нужно; Можно избежать токсичного действия на другие части организма; Нет отторжения защитними системами организма (кожей, слизистыми оболочками, иммунной системой); Дизайн кинетики выхода активного компонента. Нанокапсулы Эритроциты с приклеен- ними к ним нано капсулами Бактерии-извозчики

9 Нейропротезирование Наномембраны Аптека-на-чипе Присоединение нервных клеток к электрическим контактам

10 Нанобиология Резонансные нанокантилеверы Наносенсоры Флуоресцирующие наносенсоры Электронный нос Биочипы

11 Углеродные нанотрубки (УНТ) Космический лифт из углеродных нанотрубок

Печать человеческих органов при помощи био принтера Совсем недавно в британском журнале The Economist была опубликована захватывающая статья про биопринтер, который будет использоваться для печати человеческих органов!The Economist статья Хирурги, которые занимаются пересадкой человеческих органов, надеются, что однажды они смогут по первому запросу получить все необходимые для пересадки органы. Сейчас пациент может провести несколько месяцев, а возможно и лет, в ожидании органа от подходящего пациента. На протяжении этого времени его состояние может ухудшиться. Он может даже умереть. Благодаря искусственным органам, можно было бы не только облегчить страдания пациентов, но и сохранить человеческие жизни. Теперь, с появлением первого коммерческого 3D био принтера, эта возможность может стать реальностью.

Создание био принтера Принтер стоимостью $ был разработан в результате сотрудничества двух компаний: Organovo, которая находится в Сан Диего и специализируется на регенеративной медицине, и машиностроительной Invetech, расположенной в Мельбурне. Один из основателей Organovo, Габор Форжак, разработал прототип, на котором основан новый 3D принтер. Первые рабочие образцы принтера скоро будут доставлены исследовательским группам, которые, как и доктор Форжак, изучают способы создания искусственных тканей и органов. В настоящее время большая часть этой работы выполняется вручную, при помощи существующих устройств. По словам Кейта Мерфи, директора Organovo, вначале будут создаваться только простые ткани, такие как кожа, мышцы и небольшие участки кровеносных сосудов. Однако, сразу после окончания испытания тестовых образцов, начнется производство кровеносных сосудов для операций, когда необходимо «прокладывать» новые сосуды для движения крови чтобы обойти поврежденные. После дальнейших исследований, можно будет производить более сложные органы. Поскольку машины способны печатать сети разветвленных сосудов, можно было бы, например, создавать сети кровеносных сосудов, необходимых для снабжения кровью таких искусственно произведенных органов как печень, почки, сердце.

История развития био печати 3D биопринтер, произведенный компанией Organovo, использует тот же принцип действия что и «обычные» 3D принтеры. 3D принтеры работают аналогично с обычними струйними принтерами, но печатают модель в трехмерном виде. Такие принтеры распыляют капельки полимера, которые сплавляются вместе, после чего образуют единую структуру. Таким образом, за каждый проход печатающая головка создает маленькую полимерную линию на объекте. В результате, шаг за шагом, предмет обретает свою окончательную форму. Полости в сложном объекте поддерживаются при помощи «подмостков» из специальных растворимых в воде материалов. Эти подмостки вымываются после того как объект будет полностью закончен. Исследователи обнаружили, что аналогичный подход можно применить и к биологическим материалам! Если расположить крошечные участки клеток рядом друг с другом, они начинают как бы «сплавляться» вместе. В настоящее время исследуется ряд технологий, который бы позволил создавать человеческие органы из отдельных клеток, например, технология «накачивания» мышечных клеток при использовании маленьких машин. Несмотря на то, что индустрия печати человеческих органов только зарождается, ученые уже могут похвастать успешними примерами создания человеческих органов «с нуля». Так, в 2006 году Энтони Атала, вместе со своими коллегами из Wake Forest Institute for Regenerative Medicine в Северной Каролине, США, создали для семерых пациентов мочевые пузыри. Все они до сих пор функционируют.

Процесс создания мочевого пузыря происходил следующим образом. Вначале доктор брал крошечный образец ткани мочевого пузыря пациента (чтобы предотвратить отторжение новосозданного органа иммунной системой). Затем полученные клетки наносились на биологический мочевой пузырь, который представлял собой поддерживающую основу, имеющую форму мочевого пузыря нагретую до температуры человеческого тела. Нанесенные клетки начинали расти и делиться. После 6-8 недель мочевой пузырь был готов для имплантации пациенту. Преимущество использования био принтера состоит в том, что для его работы не нужна поддерживающая основа («подмостки»). Машина Organovo использует стволовые клетки, полученные из костного мозга. Из стволовых клеток можно получить любые другие клетки, используя различные факторы роста тысяч таких клеток формируются в маленькие капельки диаметром микрон. Такие капельки хорошо сохраняют свою форму и прекрасно подходят для печати.

Итак, первая печатающая головка фактически выкладывает капельки с клетками в нужном порядке. Вторая головка используется для распыления поддерживающего основания – гидрогеля на сахарной основе, который не взаимодействует и не прилипает к клеткам. Как только печать закончена, полученную структуру оставляют на один-два дня для того чтобы капли «сплавились» друг с другом. Для создания трубчатых структур, таких как кровяные сосуды, вначале наносится гидрогель (внутри и снаружи будущей структуры). После этого добавляются клетки. Как только сформируется орган, гидрогель снимается с наружной части (как кожура апельсина) и вытягивается из внутренней части, как кусочек веревки. В био принтерах можно использовать и другие виды клеток и поддерживающих оснований. Так, по словам господина Мерфи, клетки печени можно наносить на заранее сформированное основание, имеющее форму печени или можно формировать слои из соединительной ткани для создания зуба. При этом новый принтер обладает такими скромними габаритами, что его можно спокойно поставить в биологический шкаф для обеспечения стерильной среды в процессе печати.

Некоторые исследователи полагают, что такие машины как эта, когда-нибудь смогут печатать ткани и органы прямо в человеческом теле! И, на самом деле, доктор Атала сейчас работает над принтером, который, после сканирования участка тела, где необходима пересадка кожи, сможет напечатать кожу прямо на человеческом теле! Относительно органов большего размера, доктор Форжак считает, что они могут принимать различные формы, по крайней мере, вначале. Например, для того чтобы очищать кровь, искусственная почка не обязательно должна выглядеть как реальная почка или функционально полностью повторять ее. Те люди, которые ждут органов, наверняка не будут сильно переживать из-за того, как будут выглядеть новые органы. Главное – чтобы они работали, а люди чувствовали себя лучше.

КОЖА, НАПЕЧАТАННАЯ ПРИ ПОМОЩИ БИОПРИНТЕРА