Андрей Абрамов: Можно ли напечатать сердце?

При поддержке

Можно ли напечатать сердце?-Рассказывает Андрей Абрамовмладший научный сотрудник, ассистент кафедры химического и фармацевтического инжиниринга Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева

Я был очень ленивым подростком

1.

Поэтому моя специальность – наноинженерия. В конце концов, нано – это стильно и модно, а инженеры были и будут нужны. И я даже не мог представить, насколько близко я буду к медицине

Что влияет на наш выбор – куда поступать, в какой институт? Родители, учителя, красивая одноклассница, которая так и не сходила с вами на свидание….

Я был очень ленивым подростком, поэтому на мой выбор оказали влияние сериалы, в частности самый токсичный доктор – доктор Хаус. Я захотел быть врачом, спасать жизни, ходить без халата и каждый день сталкиваться с интересными случаями. Но реальность оказалась жестокой: перед самым поступлением я узнал, что дико боюсь крови.

На 100 тысяч человек донорский участок тканей или органа получат только 25,5 тысячи людей

2.

Это самый уникальный материал, который обладает рядом очень интересных свойств: высокой пористостью до 99%, то есть в этом материале только 1% твердого каркаса, а остальное — воздух

Однажды я увидел страшную статистику о количестве донорских органов, необходимых для пересадки людям.

В некоторых регионах России средний срок ожидания трансплантата или донорского участка составляет порядка 30 лет. Сейчас для трансплантации доступны только 3% трансплантатов почки, 5% трансплантатов печени и только 0,03% трансплантатов тканей сердца и сердечно-сосудистой системы. Если мыслить масштабно, то на 100 тысяч человек донорский участок тканей или органа получат только 25,5 тысячи людей. Ситуация ужасает.

Я ведь инженер, а значит, могу найти выход из этой ситуации. На первом курсе обучения я узнал, что есть некий материал, который называют еще твердым воздухом. Это аэрогель.

НО!

aero

gel

(англ.)

(греч.)

аэрогель для спасения человечества

губка для мытья посуды человечеством

Еще интересное свойство — высокая площадь удельной поверхности. Это означает, что если мы развернем все 99% пор, которые находятся в материале, то сможем ими покрыть футбольное поле.

Примерно так же, как в пачке чипсов. Мы открываем, а у нас вместо чипсов воздух со вкусом краба.

Эти свойства привлекают внимание многих ученых и делают возможным использование аэрогеля в качестве тепло- и звукоизоляции, систем доставки лекарственных препаратов, а самое главное – матриц для роста клеток.

А еще мы можем использовать его для получения органов. Но есть проблема: он обладает низкой механической прочностью. А это значит, что мы не можем его, как Микеланджело, с помощью зубила обрабатывать и добиваться требуемой формы. Что же делать?

Найти материал, разработать геометрию внутреннего органа, напечатать на 3D-принтере — и все!

3.

Наверняка вы слышали о 3D-печати. Я ею увлёкся, и пока мои друзья печатали подставки под телефоны или шлемы для котов, я мечтал о том, как печатаю органы из аэрогеля.

Итак, мы нашли нужный материал!

и все, мы решили одну из основных проблем современного общества.

Казалось бы, что сложного? Надо просто найти материал, разработать геометрию внутреннего органа, напечатать на 3D-принтере...

3D-печать – это процесс послойного получения изделий различной геометрии. Подобно кондитеру, который выдавливает крем на торт, формируя там причудливые узоры. Технологии трехмерной печати, существовавшие на тот момент, не позволяли мне использовать их для получения аэрогелей: потому что для получения аэрогелей используются вязкие жидкости, которые подвергаются сшивке и последующей сушке.

Но не все так просто :(

Проблемы начинаются уже на стадии выбора материала.
Он должен быть:

Биосовместимым

Биоразлагаемым

Нетоксичным

Обеспечивать рост клеток

Обеспечивать ~~васкуляризацию~~ тканей

И, самое важное, обладать свойством ~~тиксотропности~~

С первыми двумя все понятно, просто добавляем приставку био и у нас все хорошо.

Тут тоже понятно.

Матрицы, которые получены из аэрогеля, должны способствовать росту клеток на них, то есть подавать питательные вещества.

Дальше внутри нашей матрицы должны прорастать сосуды, которые впоследствии будут способствовать кровотоку через наш внутренний орган.

Чтобы разобраться, что это, давайте обратимся к кетчупу: как мы выдавливаем его на тарелку? Мы либо очень сильно потрясем бутылку, либо очень сильно ее сдавим.

В моменте, когда мы производим какое-то воздействие, вязкость кетчупа уменьшается, что позволяет нам его выдавить, но как только мы прекращаем это воздействие, вязкость кетчупа восстанавливается, и мы сможем нарисовать причудливые узоры на тарелке с яичницей или на бутерброде для любимого человека. Вроде бы все очень просто.

Осталось найти материал для 3D-печати

Для этого мы опустились на самое дно морских глубин, где нашли бурые водоросли.

Которые после ряда превращений представляют собой белый порошок: это прекрасный материал для получения тканей и органов, реализации процесса трехмерной печати.

После растворения в воде он представляет собой гидрогель, который можно спокойно экструдировать, и он обладает всеми теми свойствами, которые я перечислял раньше.

1

2

3

4

5

6

Дело за технологиями!

4.

Материал найден, осталось разработать технологии. И мы это сделали. Готов представить технологию прямой гелевой печати: она позволяет получать различные ткани и органы на основе матрицы из аэрогеля. И нюанс: чтобы реализовать эту технологию, мы напечатали 3D-принтер на... 3D-принтере.

Технология прямой гелевой печати при определенном навыке позволяет получать различные ткани – зубы, кости, ткани печени, почек, а самое главное – ткани сердца и сердечно-сосудистой системы.

Если вспомнить статистику, что у нас только 0,03% доступно трансплантатов сердца, тканей сердца и сердечно-сосудистой системы, мы начали двигаться именно в этом направлении.

То же самое с аневризмой. Аневризма – это выпячивание сосуда, который в случае превышения допустимого напряжения или давления может разорваться. Если в случае с воздушным шариком мы максимум испугаемся, то в случае с аневризмой ее разрыв приводит к кровоизлиянию и к летальному исходу.

Первое, что нужно сделать: понять, как сильно аневризма влияет на функционирование организма человека. При использовании математического моделирования при аневризме мы можем полностью отследить, как движется кровь по данному участку, определить, в какой момент она может разорваться, и как аневризма влияет на функционирование организма человека.

Давайте рассмотрим процесс на аневризме. Мы нашли такого пациента. Чтобы понять, что такое аневризма, представьте себе воздушный шарик, который вы пытаетесь надуть, но в одном месте шарик перетянут резиночкой. И если мы продолжим его надувать, он лопнет там, где у нас эта перетяжка.

Как происходит процесс 3D-печати органа из аэрогеля: получаем модель органа, устраняем дефект, а дальше надо напечатать на 3D-принтере и зарастить полученную матрицу клетками.

Теперь нам надо полностью устранить дефект. И здесь нам на помощь приходят современные системы автоматизированного проектирования, где мы строим геометрию персонализированного имплантата, который заменит участок сосуда. А дальше проверяем: не навредим ли мы своим строительством пациенту.

И когда мы убедились, что все хорошо, необходимо напечатать этот участок на 3D-принтере с использованием разработанного состава материалов.

Но на данный момент это только каркас сосуда. Для того, чтобы это превратилось в полноценно функционирующий орган, необходимо заселить каркас с помощью клеток. После того, как клетки прорастут, мы можем имплантировать данный участок пациенту.

Все дороги ведут в РХТУ

5.

Я на себе испытал аппараты МРТ и КТ: сделал себе МРТ, построил по нему 3D-модель своего сердца, напечатал ее на 3D-принтере и готов представить вам свое маленькое сердце. Я больше не боюсь, что мне его кто-то сможет разбить. А если и попытаются, то я новое напечатаю.

Вам может показаться, что у нас все получалось сразу. Но на самом деле это не так: то у нас принтер в водорослях, то мы экспериментируем с нанотрубками и у нас теперь вся «лаба» в черных водорослях. Но как интересно!

И еще – даже если вы сейчас далеки от печати органов, математического моделирования, мы всегда будем рады видеть каждого из вас в нашей магистратуре, на кафедре химического и фармацевтического инжиниринга факультета цифровых технологий и химического инжиниринга Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева.

Мечтайте, воплощайте мечты в реальность, и это позволит достичь новых открытий в науке. А если наука не пойдет, то хотя бы красивый брелок напечатаем на 3D-принтере

<

>

Знакомьтесь со звездами российской науки

Руководитель проекта
Елена Куликова

Project менеджер
Александра Худорожкова

Ведущий продюсер проекта
Наталья Макарова

Генераторы идей по оформлению лонгрида
Евгений Кучук
Алина Лебедева
Анастасия Павлова

Операторы
Роман Садовой
Александр Ширков
Андрей Минаев
Вячеслав Волков
Алексей Иванов
Алексей Епифанов

Режиссеры монтажа
Игорь Куприянов
Павел Яковлев

Режиссер и редактор
Александра Лябина

Видео

В спецпроекте использованы мемы и изображения из платных и свободных источников (freepik, shutterstock, unsplash), а также фильмов и сериалов «Декстер» (2006—2013, Clyde Phillips Productions. Автор идеи — Джеймс Манос-мл.) «Доктор Хаус» (2004—2012, Bad Hat Harry Productions. Автор идеи — Дэвид Шор), «Губка Боб квадратные штаны» (1999—…, Nickelodeon Animation Studios. Автор идеи: Стивен Хилленбёрг), «Лицо со шрамом» (1983, Universal Pictures. Режиссер — Брайан Де Пальма. Сценарий: Оливер Стоун, Армитэдж Трэйл, Бен Хект, Ховард Хоукс. Композитор — Джорджо Мородер), «Двухсотлетний человек» (1999, Columbia Pictures Corporation. Режиссер — Крис Коламбус, Сценарий: Николас Казан, Айзек Азимов, Роберт Сильверберг. Композитор — Джеймс Хорнер)

При поддержке