Прямая печать на ткани оборудование: Оборудование для печати на ткани: виды, характеристики, обзор принтеров

Brother GTX

	N40000460 Shoe Platen Complete Kit. Полный набор для печати на обуви.	52 473Р Заказать
	N40000399 Gripper Kit «Adult Platen Kit». Набор для фиксации изделия на столике.	23 922Р Заказать
	N40000407 Gripper Kit «Youth Platen Kit». Набор для фиксации изделия на столике.	23 150Р Заказать
	N40000408 Gripper Kit «Oversized Platen Kit». Набор для фиксации изделия на столике.	27 008Р Заказать
	N40000895 Полный комплект столиков T-LOCK (T-Lock Platen Kit complete)	110 046Р Заказать
	N40001219 BABY PLATEN. Детский столик (17,8 x 20,3 см) для GT-3/GTX	22 854Р Заказать
	N40001220 YOUTH PLATEN Подростковый столик (25,4 x 30,5 см) для GT-3/GTX	25 607Р Заказать
	N40001224 SLEEVE PLATEN Рукавный столик (10,2 x 40,6 см) для GT-3/GTX	28 361Р Заказать
	N40001275 GTX-LARGE PLATEN Сверхбольшой столик (40х53см) для GTX	82 512Р Заказать
	Envision Projection System. Система проецирования изображения на тестильное изделие для принтера Brother GT-3\GTX	320 316Р Заказать
	N40001222 LARGE PLATEN Большой столик (40,6 x 45,7 см) для GT-3/GTX	29 279Р Заказать
	BRIAN PTM IV OPTIMIZER SOFTWARE. Система оптимизации нанесения грунта для PRETREATmaker IV	90 864Р Заказать
	BRIAN SEARCH TOOL SOFTWARE. Программное обеспечение для упрощенной работы.	27 443Р Заказать
	N40000901 Набор T-lock для печати на кепках и головных уборах	49 470Р Заказать
	Digital Factory Apparel Brother™ Edition Растровый процессор для Brother GTX и GTX-3	118 398Р Заказать
	AccuLine CAMERA SYSTEM Система фотопозиционирования для принтеров GTX и GT-3	119 224Р Заказать
	N40000897 T-Lock Wrap Around. Поверхность для T-Lock для печати на боку	23 772Р Заказать
	N40000898 T-Lock Oversized platen. Поверхность T-Lock для больших размеров	23 772Р Заказать
	N40000899 T-Lock Long Sleeve platen. Поверхность T-Lock для длинных рукавов	17 347Р Заказать
	N40001334 Printfile Rip Software. Автоматизированный растровый процессор для принтеров Brother GT-3 и GTX	155 110Р Заказать

Принтер по текстилю

 

Принтер  прямой печати по текстилю.

Для удовлетворения потребностей различных предприятий мы предлагаем Вам оборудование для декорирования одежды и текстильных изделий.

Тесктильные принтеры для прямой печати на готовой одежде  и крое как светлых так и темных тонов. Данные принтеры принадлежат к серии профессионального оборудования. Отличаются высокой  надежностью  и износоустойчивостью , имеют  повышенный  рабочий ресурс,  высокую скорости работы и защиту электроники. На принтерах можно печатать не только единичные  эксклюзивные изделия, но и  большие партии изделий, работая в одну или две сменны на протяжении длительного времени.

Именно для такой работы создана модель Power Jet  с усиленной станиной, удлиненным полем печати, станочные направляющие высокого класса точности, практически не требующие обслуживания, позволяют принтеру работать бесперебойно на загруженных производствах. Огромным преимуществом является возможность печати на трех изделиях одновременно, что повышает производительность в 3 раза.

Широкая сфера применения принтера прямой печати по текстилю:

— рекламные агенства

— рекламно-производственные компании

— швейные предприятия

— производители спортивной одежды

 

модель	технические характеристики
	Принтер по текстилю Brother GTX-422 широкоформатный принтер для прямой печати на ткани,                                   2 пьезоэлектрические печатающие головы (раздельно под белую краску и под CMYK), 6 картриджей (чёрный, голубой, пурпурный, жёлтый и 2 белых).Картриджи выпускаются в стандартном (200 мл) и увеличенном (500 мл) объёме.Новая формула чернил Innobella Textile с улучшенной цветопередачей.Разрешение печати 1200×1200 dpi.Максимально допустимая область печати: 40,6 см х 53,5 см. подробнее…
	Принтер по текстилю Brother GT-341(ЯПОНИЯ) область печати max:  35 х 40см Принтер для прямой печати по текстилю 4 головки CMYK, краска на водной основе Максимальное поле печати 35,6 x 40,6 cmРазрешение 600х600 & 1. 200х1200 DPIОперационная система: Windows 7/XP/VistaГабаритный размер: 136 (W) x 88/104 (D) x 66 (H) cmGT-341 стартовый пакет включен Подробнее…
	Принтер по текстилю Brother GT-361(ЯПОНИЯ) область печати max:  35 х 40см Размер принтера 118 х 94 х 61 смПринтер для прямой печати по текстилю4 головки CMYK+2 головки WHITE, водные чернила Максимальное поле печати 35,6 x 40,6 cmРазрешение 600х600 & 1.200х1200 DPIОперационная система: Windows 7/XP/VistaГабаритный размер: 136 (W) x 88/104 (D) x 66 (H) cmGT-361 стартовый пакет включен  подробнее…
	Принтер по текстилю Brother GT-381(ЯПОНИЯ) область печати max:  35 х 40см Принтер для прямой печати по текстилю4 головки CMYK+2 головки WHITE, водные чернила Максимальное поле печати 35,6 x 40,6 cmРазрешение 600х600 & 1.200х1200 DPIОперационная система: Windows 7/XP/VistaГабаритный размер: 136 (W) x 88/104 (D) x 66 (H) cmGT-381 стартовый пакет включен Подробнее…
	SCHULZE PRETREATmaker IV                                                                            Автоматическая машина для нанесения грунтовки   подробнее…

 

Принтер прямой печати по текстилю.

Научно-технический прогресс не стоит на месте. Наряду с развитием и автоматизацией промышленного швейного оборудования, вышивальных машин, появился еще один способ нанесения рисунков на ткань – это прямая печать.

Что такое прямая цифровая печать по ткани?

Прямая цифровая печать по ткани – это относительно новая технология печати по текстилю на принтерах с нанесением изображения специальными высоковязкими водными красками непосредственно на изделие. Принтеры прямой цифровой печати по ткани изначально созданы именно для прямой печати по текстилю.

Какие типы принтеров используются для прямой печати по ткани?

Принтеры прямой печати – это коммерческие струйные принтеры, которые используют промышленные печатающие головки. На рынке известна и отлично себя зарекомендовала  компания Brother —  производитель принтеров, печатающих головок, контроллеров механизмов и программного обеспечения в комплексе. Краски производят по уникальной  запатентованной технологии, которая обеспечивает  непревзойденный результат.

Чем отличается прямая цифровая печать по ткани от использования бумаги для термопереноса изображения?

В бумаге для термопереноса изображения используется полимерное или клеевое покрытие, благодаря которому чернила или тонер прилипают к поверхности изделия. Это создает на изделии так называемое «полимерное окно» (дополнительный слой с нанесенным принтом), которое заметно визуально и на ощупь. Чернила для прямой печати на ткани производятся с добавлением связующих веществ, благодаря чему чернила пристают к изделию без необходимости дополнительного покрытия.

 Где  можно применять принтер прямой печати? 

Принтер по текстилю может быть использован на самых различных предприятиях  для декорирования одежды и текстильных изделий. Это и рекламно- производственные компании, занимающиеся разработкой и производством сувенирной и рекламной продукции. Рекламные агенства, производители спортивной одежды, трикотажные фабрики, фабрики игрушек и другие. Текстильные принтеры  предназначены для прямой печати на готовой одежде и крое. 

Чаще принтер по текстилю  используется при нанесении рисунков на футболки. Футболки пользуются большой популярностью у молодежи, да и у взрослых. Дети с большим удовольствием носят футболки с яркими, красочными рисунками. Наносить изображения можно как в массовом производстве, так и единичные, эксклюзивные рисунки, строго индивидуально. С рисунком формата А4 принтер справляется  менее чем за 2 минуты.

 

Где купить принтер прямой печати по текстилю? 

 

Купить принтер по текстилю

Вы можете позвонить нам по тел. 8 910 698 82 62 ,

или прислать заявку по электронной почте [email protected]

или оставить заявку прямо на этом сайте ЗАКАЗАТЬ…

 

 

 

Промышленное оборудование:

Швейные машины  Вышивальные машины

Раскройное оборудование Гладильное оборудование

 Стегальные машины  Швейные автоматы

  Запчасти  Иглы  Принтеры

 

 

 

Прямая или цифровая печать — описание, особенности, преимущества, цены

Московская Студия Печати работает с прямой печатью на одежде и ткани уже 7 лет. Западное оборудование и опыт помогают создавать:

1. Модную повседневную одежду уличного стиля.
2. Рекламные и брендовые майки.
3. Футболки и толстовки для работников компаний и участников конкурсов.
4. Серии тканевой продукции с печатной символикой.

Цикл производства футболки

Основы метода

Прямая печать на ткани и одежде в России стала популярна в конце 90-х. Технология с красноречивым названием пришла с Запада. Все просто:

1. Подготавливается материал и оборудование.
2. Краска с оксидами металлов в составе соединяется со структурой нитей.
3. Рисунок надежно фиксируется нагревом. 

Без трудоемкой и дорогой предпечатной подготовки. Без промежуточных элементов и сушки.

Главный инструмент – текстильный струйный принтер или станок с рабочим столом, панелью управления, головками и системой подачи чернил.  

Готовая футболка на рабочем столе станка

Преимущества прямого нанесения

Цифровую печать называют самым современным и технологичным видом типографии. Основания:

1. Высокая скорость работы (около 15 минут на выполнение 1 изделия).
2. Принты не теряют красивого вида после стирок и воздействия солнечного света.
3. Допускаются нестандартные эффекты: градиенты, глянец.
4. Дешевле метода вышивки, детализация изображений превосходит результаты шелкографии и термопереноса. Нет эффектов размытости и зернистости.
5. Краска не опасна для детей.
6. Выполняется полноцветная печать (CMYK) с высокой степенью реализма изображения. Станок/принтер смешивает несколько цветов, что гарантирует передачу любого оттенка.
7. При нанесении на футболки принт не «выступает» и почти не ощущается тактильно.
8. Точная прорисовка всех деталей картинки и текста.

Важно: нет идеального метода печати на все случаи жизни. Значения имеют: детали, финансовая сторона вопроса, конкретика, технические нюансы. Московская Студия Печати подбирает технологию под заказ, а не заказ под технологию.

Позвоните по телефону и получите честную консультацию вместе с расчетом цены.

Принтеры для печати по одежде Brother GT-541, Brother GT-782, Azon TEX PRO

Принтеры для прямой цифровой печати по готовым текстильным изделиям – это новые технологии с идеальным фотографическим качеством в области текстильной печати, что в отличии от традиционных машин трафаретной печати, будь то ручных или автоматических или других способов нанесения, к примеру сублимация, дает возможность существенной экономии средств и времени. Преимущество представляемого нами оборудования особенно очевидно при производстве полноцветной малотиражной и единичной эксклюзивной продукции. Технология не требует изготовление цветоделенных печатных форм, сеток, сложного замешивания краски. Будь то одноцветное изображение или цветное, темный носитель или светлый — принтеры по текстилю с одинаково отличным результатам выполнят печать с фотографическим качеством до 1440dpi. Перенастройка с одного запечатываемого изображения на другое происходит в считанные минуты! Представленные нами текстильные струйные принтеры AZON TEX PRO, BROTHER GT-541, BROTHER GT- 782 предназначены для прямой печати как на белых и светлых, так и на окрашенных темных или даже черных текстильных изделиях. В отличие от широкоформатных принтеров (струйных плотеров) печатающих на ткани подаваемого из рулона, принтеры AZON и Brother серии GT — обладают возможностью печати на готовых (сшитых) изделиях различной формы и состава ткани – это могут быть не только майки, футболки, толстовки джинсы и т.д., но и сложные для печати изделия, такие как бейсболки или обувь. Регулируемая высота рабочего стола позволяет печать на футболках майках толстовках, а так же изделиях с пришитыми молниями и пуговицами. Впрочем, перечень запечатываемых изделий не ограничивается только тканью. Носителем может быть любая плоская поверхность будь то дерево (фанера) или холст, картон или пластиковая поверхность. Следует отметить, так как чернила используемые в принтерах разрабатывались специально для ткани, стойкость отпечатка к истиранию на других материалах (дерево, холст, картон) необходимо проводить опытным путем. Применяемые пигментные чернила на водной основе способствуют высокой четкости и качества печати изображения, а так же предоставляют возможность воспроизводить полноцвеные изображения в цветовом охвате CMYK. Использование чернил после выполнения предпечатной подготовки (нанесения праймера (грунтовки)) на запечатываемое изделие дает стойкость чернил выполненного отпечатка к неоднократным стиркам. Управление процессом печати происходит с компьютера или ноутбука подключенного локально или по сети оснащенного операционной системой Windows и установленных на компьютере распространенных графических редакторов (CorelDRAW, Adobe Illustrator, Adobe PhotoShop и т.д.). Высокое разрешение и работа с любыми известными графическими форматами, позволяет воспроизводить на изделиях изображения безупречного фотографического качества с безукоризненно высокой проработкой мельчайших деталей. В случае необходимости, можно самостоятельно отредактировать выводимое на печать изображение. Печать выполняется чернилами на водной основе, которые совершенно не подвержены выгоранию, механическому воздействию, стирке, а так же совершенно безопасны для организма человека. Высокая производительность (до 60 шт/час), простота в обслуживании, экономичность, отличное качество оборудования – это не все достоинства принтеров AZON TEX PRO, Brother GT-541 и Brother GT- 782 . Еще одним значительным плюсом, является не большая производственная площадь в зависимости от модели которая, составляет 4 – 10 кв. м. Задача нашей компании заключается не только в продаже принтеров для текстильной печати, наша задача оградить вас от некачественного товара, а так же предоставить сервис по бесперебойной поставке расходных материалов для печати и технического обслуживания. Наша цель – помочь Вам наладить прибыльный бизнес обеспечивающий постоянный доход и предоставить идеи для удовлетворения потребностей Ваших заказчиков.

Цифровая печать на футболках

Цифровая печать на футболках, или прямая, или текстильная печать – способ нанесения изображения непосредственно на изделие без промежуточных этапов и носителей.

Для чего необходима цифровая печать на ткани?

Иногда нам срочно требуется напечатать футболки небольшим тиражом. Встреча одногруппников, девичник или мальчишник, небольшая презентация или промо-акция, конференция, тренинг, выставка, спортивное мероприятие в школе – вы и сами можете назвать немало таких моментов.

Мы привычно работаем с домашним и рабочим принтерами и не идем в полиграфию, чтобы распечатать несколько вордовских страниц. Жаль, что нельзя взять и вставить футболку прямо в оборудование и нажать кнопку «печать». Но вы удивитесь, узнав, что текстильный принтер устроен примерно так же, как обычный.

Несколько лет назад результат печати на ткани выглядел удручающе – резиновый кусок во всю грудь, трескающийся после третьей стирки, а после пятой и вовсе разваливающийся. Теперь достаточно положить футболку в принтер для текстильной, прямой печати, нажать пару кнопок – и украшенное принтом изделие, приятное внешне, в ваших руках.

Цифровая печать на текстиле, труднее печати на домашнем наносить краски иногда приходится на черное и цветное.

Цифровая печать на футболках: главные проблемы

С какими затруднениями сталкивается оператор?

• печать не ложится непосредственно на темные, черные ткани;
• необходимо качественное закрепление чернильных красок на изделии;
• требуется четкое крепление самого изделия в печатающем оборудованием, чтобы изображение получилось точно, как на картинке.

Как с этим справляемся мы?

• используем праймер – фоновую подложку для нанесения на черную ткань цветного принта;
• наши краски очень ярки – после печати вы можете стирать изделие в стиральной машинке без шанса получить линялое тряпье. Также мы предоставляем возможность печати на наших футболках, с которыми работаем уже долгое время;
• изделия крепится на печатном столе, движущемся по заданным электронным путем параметрами. Никаких лотков.

Прямая цифровая печать на футболках

Первый этап, с которого начинается работа с прямой печатью – обработка файла, который приносит клиент.

Вектор, растр, фото, вордовский текст – цифровая печать поразительно всеядна. Вы можете принести нам любое изображение, какое только пожелает душа. Только помните: итоговое качество сильно зависит от исходного файла, поэтому желательно подбирать четкую картинку.

Второй этап – подготовка футболки. На нее наносится специальное покрытие из пульверизатора, которое улучшает закрепление чернил на ткани. Это покрытие – праймер – совершенно не видно после окончания работы, так что здесь беспокоиться не о чем. Все излишки испаряются в термопрессе. Там же приглаживается ворсистая ткань, и место печати становится очень гладким. Это необходимо для того, чтобы краска легла идеально ровно.

Третий этап – кладем текстиль на предметный стол и запускаем процесс с конкретными параметрами. Процесс завершается за считанные секунды! Остается только высушить ткань. Для этого нужны высокие давление и температура – то есть условия термопресса.

Всего за 5-10 минут мы получаем устойчивый принт на футболке, косынке и т.д.

Цифровая печать – ограничения  

Для чего НЕ годится?

• для тиражей в несколько тысяч экземпляров;
• изображений в одном-двух тонах – выглядит не очень интересно.

В этих случаях лучше обратиться к термопленкам и шелкографии.

Но если вам нужен небольшой тираж, качественные полноцветные изображения, печать на текстиле, цифровая печать будет самым наилучшим вариантом. Особо это касается переменной информации по типу номерных знаков или имен, фамилий.

Попробуйте наши технологии на ощупь! Закажите цифровую печать на футболках по телефону (495) 763-06-67.

Оборудование для печати на текстиле

Оборудование для печати на текстиле

• Компания 7-НЕБО является авторизированным партнером EPSON  –  ведущего производителя сублимационных и текстильных принтеров серии EpsonSureColorSC—F.  
• Предлагаемые инновационные решения для печати на текстиле включают в себя широкий ассортимент промышленных цифровых принтеров с высокой скоростью печати на текстиле, а также чернила, обеспечивающие высокое качество изображения.  
• Прямая печать на ткань                   Epson SureColor SC-F2000  — первый текстильный принтер для прямой печати на футболках от компании Epson. Предназначен для печати на белых/цветных натуральных тканях  или смешаных с минимальным содержанием хлопка 50%.
•       Сублимационная печать 
•   Epson SureColor SC-F6200/7100/9200 – сублимационные принтеры произведены компанией Epson. Принтер поддерживает печать на всех основных носителях для переноса изображения на различные полиэстерные материалы, которые использоваться для одежды инд. дизайна, в том числе спортивной, аксессуаров, флагов и рекламно-сувенирной продукции.                                                        
•  Дополнительное оборудование и материалы 
•  
• Визитная карточка термопрессов SCHULZE — высочайшее качество и надежность.  
• Трансферный прессBlue Line Press DTG-4-S  адаптирован для закрепления изображений напечатанных способом прямой печати на текстиль.
•                         
• Мы печатаем на оборудовании, которое продаем!
•  Теперь наш опыт и знания, накопленные в процессе работы на оборудовании Epson, помогут Вам сделать правильный выбор при покупке принтера для сублимационной или прямой печати по текстилю.
•  Для потенциальных покупателей мы сделаем презентацию оборудования на реально работающем производстве, выполним тестовую печать и Вы получите расчет окупаемости оборудования. А в случае, принятия решения по покупке, мы будем осуществлять послепродажную поддержку: обучение, консультации, поставку расходных материалов.
•   

• Напишите нам и мы с вами свяжемся

Прямая печать на футболках – новое слово в технологиях печати на текстиле

Прямая печать на футболках, свитшотах, поло и других изделиях из текстиля – одна из наиболее прогрессивных и эффективных технологий нанесения принтов. Еще совсем недавно, многие только мечтали о ярких красочных вещах с оригинальными надписями, рисунками и фото. А сегодня каждый может пополнить свой гардероб эксклюзивной футболкой с качественно нанесенным изображением.

Так что же это такое – цифровая печать, которая помогает нам создавать интересные образы, разнообразить будни, выражать чувства и демонстрировать свой вкус? Данная технология предполагает перенос изображения на одежду без использования различных клише, трафаретов, пленок или матриц, т.е. промежуточных носителей рисунка.

Чтобы получить четкий полноцветный принт используются красящие вещества, которые содержат в основе оксиды металлов и прочно удерживаются на текстиле, и специальный печатный блок

Благодаря простоте и высокой скорости нанесения принтов любой сложности прямая печать на футболках сегодня пользуется высокой популярностью.

Прямая печать на футболках – особенности метода

В рабочем процессе цифрового нанесения задействованы: принтер прямой печати на футболках и термопресс. Тем не менее:

• Первый этап – это обработка выбранного изображения. Поскольку речь может идти о векторном изображении, фото с фотоаппарата, растровом или просто рисунке из Интернета – необходима его предпечатная подготовка.
• Второй этап – подготовка футболки. Изделие разглаживается и прессуется, чтобы зафиксировать ворс и получить достаточно гладкую поверхность – оптимальный вариант для получения печати отменного качества. При обработке поверхностей темного цвета предварительно накладывается белый праймер.

• Третий этап – сама печать. Здесь могут использоваться специальные устройства, но, как правило, — это современные широкоформатные текстильные принтеры, в арсенале которых до 10 рабочих режимов. Поэтому цифровая печать на футболках – процесс достаточно быстрый (до15 мин.).
• Четвертый, завершающий, этап – сушка и закрепление рисунка на ткани с помощью того же вышеуказанного термопресса. Это позволяет надолго сохранить яркость принта и повысить его износоустойчивость.

Прямая печать на футболках – от чего зависит стоимость и как правильно выбрать ткань

Многие специализированные компании предлагают такие услуги, как «прямая печать на футболках», цены на которые весьма демократичны и зависят от:

• Режима печати.
• Цветовой наполненности рисунка.
• Цвета ткани.
• Размера изображения.
• Тиража партии.
• Сроков выполнения заказов.

Поэтому для тех, кого интересует прямая печать на футболках, Москва готова предоставить немало профильных организаций. Но, было бы неплохо, чтобы Заказчик имел представление о некоторых тонкостях технологии. Это поможет выбрать действительно достойную хорошую компанию для выполнения оптового, розничного или срочного заказа. Так вот:

• В основном, наносится прямая цифровая печать на футболках из натуральных материалов. Поскольку на синтетических тканях не происходит полимеризации красок, а сама ткань при воздействии термопресса деформируется. А значит, лучший выбор – 100% хлопок (процент допустимости лайкры или эластана – не больше 10%).
• Хорошо, если полотно имеет высокую или среднюю плотность, а его лицевая сторона – специальную шлифовку.
• Не стоит выбирать слишком фактурный текстиль, который плохо прессуется и, как результат – зернистое изображение.
• Не особо подходит и тонкое полотно. Если его плотность до 120 г/м2, то велика вероятность, что краски пропечатаются на изнанку.

Становится ясно, что для нанесения принта описываемым способом необходимо подобрать ткань, на которой будет полимеризоваться краска. И сегодня такие вещи востребованы не только для личного пользования, их активно применяют в коммерческих и рекламных целях.

Брендирование одежды – своеобразный «Клондайк» для маркетологов, имиджмейкеров или бизнесменов. И они точно знают, что лучший вариант для нанесения лого, аббревиатуры, символов, надписей, лозунгов и т. д. техникой цифровой печати – футер (толстовки, шапки, свитшоты, спортивные костюмы) и кулир (майки, топы, футболки).

С некоторыми вариантами промо футболок тут можно ознакомиться довольно быстро.

Роль оборудования в нанесении прямой печати на футболки

При нанесении изображений техникой прямой печати на футболках, оборудование играет довольно значимую роль. Именно хороший принтер дает:

• Высокий уровень детализации.
• Хорошее фактическое разрешение для каждой конкретной текстуры ткани.
• Возможность быстро менять макет.
• Высокую скорость исполнения.
• Доступность выполнения плавных градиентов и глянца.

Преимущества прямой цифровой печати на футболках

Представители разных полов и возрастов все больше выбирают цифровую печать на футболках (Москва, как и другие города – яркий пример растущей популярности таких изделий). И это не случайно. Целый ряд неоспоримых преимуществ печати, делает вещи особенно востребованными:

• Возможность нанесения принтов любой цветовой наполненности, в том числе со сложными переходами.
• Печать на крое и готовых изделиях, а также поверх швов, на планках или карманах.
• Любой рисунок или надпись переносятся с точностью до полутона и миллиметра.
• Использование экологических, безвредных красок высокого качества.
• Устойчивость изображений к УФ и многократным стиркам (более 50).
• Ткань не изменяет свою структуру, «дышит», оставаясь мягкой и приятной, а краска, практически, не чувствуется на ощупь.

Если Вас интересует прямая печать на футболках, оборудование компании «ПРОпечать» — лучшая техника для нанесения любого изображения. Футболка – всегда в тренде и никогда не выйдет из моды. Она удобна, практична и универсальна. Благодаря цифровой технологии печати, можно декорировать изделие любым понравившимся рисунком, оригинальной надписью или уникальным фото – сделать реальной даже самую креативную и удивительную идею! Тут, а также по телефону у наших консультантов, можно узнать все касательно прямой печати на футболках и не только.

Печать будущего: 3D-биопринтеры и их применение

Перво-наперво… понимание 3D-принтеров

Традиционные принтеры, такие как принтеры дома или в офисе, работают в двух измерениях. То есть они могут печатать текст или изображения на плоской поверхности (обычно на бумаге), используя размеры x (по горизонтали) и y (по вертикали). 3D-принтеры добавляют еще одно измерение — глубину (z). Они могут перемещаться вверх и вниз, влево и вправо, назад и вперед, и вместо того, чтобы доставлять чернила на бумаге, они распределяют различные материалы — от полимеров (включая пластмассы) до металла, керамики и даже шоколада — чтобы «напечатать» объект. слой за слоем в процессе, известном как ‘ производство добавок ‘.

Чтобы создать 3D-объект, вам сначала понадобится чертеж, то есть цифровой файл, созданный с помощью программного обеспечения для моделирования. После создания компьютерная модель отправляется на принтер. Выбранный вами материал (например, пластик) загружается в устройство и готов к нагреву, чтобы он мог легко вытекать из сопла принтера. Во время считывания чертежа головка принтера перемещается вверх и вниз, из стороны в сторону, вперед и назад, нанося последовательные слои выбранного материала для создания вашего конечного продукта.Когда каждый слой печатается, он превращается в твердую форму либо за счет охлаждения, химической реакции (часто вызываемой светом), либо за счет смешивания двух разных растворов, подаваемых печатающей головкой. Новые слои прилипают к предыдущему, создавая устойчивый, сплоченный предмет. Таким способом можно создать практически любую форму, включая движущиеся части и сложные слои.

С помощью 3D-принтеров уже создается широкий спектр предметов, включая ювелирные изделия, одежду, игрушки, прототипы, чехлы для фотоаппаратов и высококачественные промышленные товары.

3D-печать позволяет нам создавать объекты с геометрической структурой, которые было бы сложно или невозможно создать другими способами. Источник изображения: TED Conference / Flickr.

Биопечать

Биопринтеры

работают в почти так же, как и 3D-принтеры, , с одним ключевым отличием. Вместо доставки материалов, таких как пластик, керамика, металл или еда, они откладывают слои биоматериала, которые могут включать живые клетки, для создания сложных структур, таких как кровеносные сосуды или кожная ткань.

Подождите… живые клетки? Где они их берут? Что ж, каждая ткань в организме естественным образом состоит из разных типов клеток. Таким образом, необходимые клетки (клетки почек, клетки кожи и т. Д.) Берутся у пациента и затем культивируются до тех пор, пока их не станет достаточно для создания «биочернил», которые загружаются в принтер. Это не всегда возможно, поэтому для некоторых тканей можно использовать взрослые стволовые клетки, которые могут развиваться с образованием клеток, необходимых в различных тканях.

Следуя подробным компьютерным проектам и моделям, часто основанным на сканировании, сделанном непосредственно у пациента, головки прецизионных принтеров размещают ячейки именно там, где они необходимы, и в течение нескольких часов органический объект создается с использованием большого количества очень тонких слои.

Конечно, обычно вам нужно больше, чем просто клетки, поэтому большинство биопринтеров также доставляют какой-то органический или синтетический «клей» — растворимый гель, коллагеновый каркас или другой тип поддержки, к которой клетки могут прикрепляться и на которых могут расти. Это помогает им принимать правильную форму. Удивительно, но некоторые клетки могут принимать правильное положение сами по себе без каких-либо строительных лесов.

Как они узнают, куда идти? Они используют свои врожденные свойства, чтобы искать похожие клетки, чтобы присоединиться к ним.Они от рождения знают, где они нужны, например, как клетки эмбриона развиваются в утробе матери или как ткань взрослого человека движется для восстановления повреждений. Затем исследователи могут контролировать форму, в которой они это делают, а окончательную структуру строит принтер.

На рынке представлено множество различных принтеров, которые проходят испытания, поэтому методы доставки этих клеток и биоматериалов также различаются. Некоторые из наиболее часто используемых в настоящее время методов включают: экструзия , лазер , микроклапаны , струйный а также фрагмент ткани печать.

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, и каждый представляет собой уникальные проблемы, которые необходимо преодолеть. Исследователи предсказывают, что именно сочетание нескольких из этих методов обеспечит наиболее значительный прогресс в биопечати. Более подробное объяснение этих методов можно получить в Университете Вуллонгонга.

Итак, по сути, ученые и медицинские исследователи используют сканеры и принтеры, традиционно предназначенные для проектирования автомобилей, создания моделей и прототипирования продуктов, вместо этого для создания живых тканей человека.

Университеты, исследователи и частные компании по всему миру участвуют в развитии технологий биопечати. Давайте посмотрим на некоторые вещи, над которыми они работают.

Кость

Ежегодно более 2,2 миллиона человек во всем мире нуждаются в костных трансплантатах для восстановления дефектов костей.

В современных костных трансплантатах часто используется синтетический материал на основе цемента в сочетании с собственной костью пациента. Ограничения, связанные с этими материалами, привели к образованию структур, которые не обладают соответствующей механической целостностью или не позволяют создавать новую ткань.Воспроизведение естественной границы раздела костей и хрящей также было проблематичным.

Однако команда из Университета Суонси разработала процесс биопечати, с помощью которого можно создать искусственный костный матрикс точной формы требуемой кости с использованием биосовместимого материала, который является одновременно прочным и регенерирующим. Эти недавно напечатанные «кости» трансплантируются в тело, где в течение нескольких месяцев они срастаются и в конечном итоге заменяются естественными костями пациента с небольшими осложнениями, если таковые имеются.

Чтобы напечатать маленькую кость с помощью трабекулярный функции в настоящее время занимает около двух часов. В такие короткие сроки хирурги вскоре смогут печатать их в операционной прямо во время работы.
Другие исследователи из Ноттингемского университета в Англии работают над аналогичными заменами костей. Они делают биопечать точную копию той части кости, которую пытаются заменить — это становится каркасом. Затем он покрывается стволовыми клетками взрослого человека, способными развиваться практически в любой другой тип ткани.Это сочетается с биочернилами принтера — комбинацией полимолочной кислоты (которая обеспечивает механическую прочность кости) и альгината — гелеобразного вещества, которое действует как амортизирующий материал для клеток. Затем конечный продукт имплантируется в тело, где примерно через три месяца каркас исчезает и заменяется новой костью.

Исследователи надеются, что в будущем кости с биопечатью могут быть созданы с достаточной надежностью, чтобы поддерживать сложную реконструкцию позвоночника, и что костный материал может быть дополнительно улучшен для повышения его совместимости с клетками хряща.

Кожа

Если человек сильно обгорел, здоровую кожу можно снять с другой части тела и покрыть ею пораженный участок. Однако иногда неповрежденной шкуры не хватает для сбора урожая.

Исследователи, работающие в Медицинской школе Уэйк Форест, успешно разработали, построили и протестировали принтер, который может печатать клетки кожи прямо на ожоговой ране. Сканер сначала определяет размер и глубину раны, и эта информация передается на принтер, который после культивирования соответствующих клеток наносит клетки правильного типа на нужную глубину, чтобы покрыть рану.В отличие от традиционных кожных трансплантатов, вам нужен только участок кожи размером в одну десятую от ожога, чтобы вырастить достаточно клеток кожи для печати на коже. Хотя эта технология все еще находится на экспериментальной стадии, исследователи надеются, что она станет широко доступной в течение следующих пяти лет.

Как уже упоминалось, 3D-принтеры печатают слоями, и, поскольку кожа представляет собой многослойный орган с разными типами клеток, она хорошо подходит для этого типа технологии. Одна американская компания уже выпустила многослойную кожу, состоящую из слоев дермы и эпидермиса.Однако впереди еще много проблем, в частности, как остановить тепло, выделяемое принтером, от повреждения клеток или их жизнеспособности. И, конечно же, как и большинство частей человеческого тела, кожа сложнее, чем кажется на первый взгляд — есть нервы, кровеносные сосуды и множество других аспектов, которые необходимо учитывать.

Кровеносные сосуды

Учитывая, что в вашем теле есть десятки тысяч километров вен, артерий и капилляров, это хорошая новость, что исследователи работают над способами их замены, если они когда-либо выйдут из строя.Создание жизнеспособных кровеносных сосудов также важно для правильной работы всех остальных частей тела, на которых может быть нанесена биопечать.

Инженер-исследователь Моника Мойя из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса использует биопечать для создания «живых» кровеносных сосудов. Материалы и окружающая среда, созданные ее биопринтерами, спроектированы таким образом, чтобы мелкие кровеносные сосуды — человеческие капилляры — могли развиваться самостоятельно. Эта разработка требует времени, поэтому трубки с клетками и другими биоматериалами распечатываются, чтобы помочь доставить жизненно важные питательные вещества в окружающую печатную среду.Через некоторое время самоорганизующиеся капилляры соединяются с пробирками с биопечатью, тем самым начиная самостоятельно доставлять питательные вещества к клеткам, имитируя работу этих структур в организме человека.

Если вы воспользуетесь этим подходом совместной инженерии с природой, вы позволите биологии помочь создать более точное разрешение отпечатанной ткани … Мы усиливаем способность тела к самонаправленному росту, и в итоге вы получаете что-то более правдивое. к физиологии. Мы можем поместить клетки в среду, в которой они будут знать: «Мне нужно построить кровеносные сосуды.«С помощью этой технологии мы направляем и координируем биологию. Моника Моя, инженер-исследователь

Успешно создав «неорганизованную» сеть кровеносных сосудов, она и ее команда теперь сосредоточены на создании многоуровневой иерархии, подобной той, которая существует в человеческом теле.

Еще один метод создания кровеносных сосудов был разработан исследователями из Бригама и женской больницы. Используя шаблон волокна агарозы, покрытый гидрогелем, команда смогла построить микроканальные сети с различными архитектурными особенностями.

Видео: Посмотрите, как био-чернила печатают структуру ткани. (Институт Висса / YouTube). Посмотреть детали.

Внутренние органы

В настоящее время в Австралии около 1600 человек находятся в очереди на пересадку органов. Многие исследователи надеются, что через 20 лет эти списки уйдут в прошлое. Они представляют себе мир, в котором орган можно распечатать и пересадить всего за несколько часов без отторжения со стороны тела.Эти печатные органы будут созданы из тех самых клеток тела, в которые они будут повторно входить, в соответствии с точным размером, характеристиками и требованиями каждого отдельного пациента.

В настоящее время до биопечати полнофункциональных сложных внутренних органов (таких как сердце, почки и печень) еще не менее 10 лет, а может и больше, но прогресс происходит быстро.

Менее сложные органы, например мочевой пузырь, уже возможны. В университете Уэйк-Форест в США исследователи успешно взяли клетки из исходного, плохо функционирующего мочевого пузыря пациента, культивировали их и добавили дополнительные питательные вещества.Затем был напечатан трехмерный слепок мочевого пузыря пациента, и культивированные клетки пропитались через него. Форму поместили в инкубатор — что-то вроде выпечки торта — и, когда она досталась, ее можно было пересадить в тело пациента. В конечном итоге плесень разрушится, и останется только органический материал.

Эта же группа успешно произвела жизнеспособные уретры. И снова комбинация собственных клеток пациента и дополнительных питательных веществ засевается каркасом, а затем сшивается в уретру правильной формы.Эти сконструированные детали можно затем трансплантировать обратно в тело пациента.

Хотя биоинженеры успешно напечатали крошечную (толщиной 1 миллиметр и ширину 4 миллиметра) функционирующую трехмерную печень, она просуществовала всего пять дней. Это начало, но впереди еще долгий путь.

Почки также невероятно сложны, поскольку они содержат сложные клеточные процессы для фильтрации, а это не то, что можно легко воспроизвести. Исследователи из Австралии использовали стволовые клетки человека для выращивания органоида почек, который содержит все необходимые для почек типы клеток.Такие клетки могут стать ценным стартовым источником для биопечати более сложной структуры почек.

Доктор Энтони Атала показывает почку, напечатанную на сцене TED. Источник изображения: Стив Джурветсон / Flickr.

Удивительно, но сердце может быть одним из самых легких органов в изготовлении, поскольку по сути это насос с трубками. Конечно, это не так просто, но многие исследователи полагают, что у нас будут трансплантируемые биосердца, прежде чем почки или печень. Исследователи в Соединенных Штатах создали «органоиды» — трехмерные печатные бьющиеся сердечные клетки, которые формируются с помощью специального трехмерного принтера и, по сути, полностью функциональны.

Хотя напечатать полную копию органа легко, сложнее сделать ее «реальной» с кровеносными сосудами, соединительными тканями, нервами, системами фильтрации, прочностью, долговечностью и всеми аспектами, которые необходимы для того, чтобы сделать нашу «естественную» такие сложные органы. Эти проблемы не отталкивают многих исследователей, которые работают над поиском решений этих сложных проблем.

Хрящ человека

3D-печать человеческого хряща должна, как надеются исследователи, привести к имплантируемым заменам для жертв травм, которым требуется реконструктивная хирургия.Отрезали ухо? Нос разбит? Не беспокойтесь — ученые из Цюриха разработали процесс, который может позволить больницам напечатать полноразмерный имплант человеческого носа менее чем за 20 минут. Они считают, что любой хрящевой имплантат может быть произведен с помощью их нового процесса. В статье исследователь Матти Кести описал технологию:

«В результате серьезной автомобильной аварии пассажир разбит нос. Это возможно реконструировать как 3D-модель на компьютере. Одновременно с этим проводится биопсия пациента и хрящевые клетки, удаляемые из его или ее собственного тела, например из колена, пальца, уха или осколков сломанного носа.Клетки создаются в лаборатории и смешиваются с биополимером. Из этой суспензии, похожей на зубную пасту, с помощью биопринтера создается трансплантат носового хряща, который имплантируется пациенту во время операции. В этом процессе биополимер используется просто как форма для формования; впоследствии он расщепляется собственными хрящевыми клетками организма. Через пару месяцев невозможно отличить трансплантат от собственного носового хряща ».

Поскольку имплант был выращен из собственных клеток организма, риск отторжения намного ниже, чем для имплантата, сделанного, скажем, из силикона.Дополнительным преимуществом является то, что клеточный имплант растет вместе с пациентом, поскольку он управляется внутренним механизмом роста пациента, как и другие части тела. Это особенно важно для молодых реципиентов имплантатов.

Дополнительное использование: тестирование на наркотики и медицинские исследования

Одна из ключевых потенциальных областей использования биопечати живых материалов — это медицинские испытания, исследования лекарств и безопасность. Многие из этих тканей с биопечатью имеют общие черты с естественными тканями, такие как наличие нескольких типов клеток, клеточная плотность и ключевые архитектурные особенности.Таким образом, исследователи могут изучать эффекты различных заболеваний, прогрессирование болезни и возможные методы лечения в естественной микросреде.

Одним из самых захватывающих достижений последнего времени является идея «настольного мозга», разработанная исследователями из Центра передового опыта в области электроматериалов ARC (ACES). Они разработали напечатанную на 3D-принтере шестислойную структуру, которая включает нервные клетки, имитирующие структуру ткани мозга.

Это имеет огромные потенциальные преимущества для исследователей, фармацевтических компаний и частных компаний.Это позволит им тестировать новые продукты и лекарства на тканях, которые точно отражают ткань человеческого мозга, в отличие от образцов животных, которые могут вызывать совсем другую реакцию. Настольный мозг можно также использовать для дальнейших исследований заболеваний мозга, таких как шизофрения или болезнь Альцгеймера.

Мы все еще далеки от печати мозга, но способность упорядочивать клетки так, чтобы они образовывали нейронные сети, является значительным шагом вперед. Директор ACES и автор исследования профессор Гордон Уоллес

Позволяя исследователям работать с тканями человека «в реальном времени», он может значительно ускорить процессы тестирования и дать более реалистичные и точные результаты.Это также может помочь снизить потребность в использовании лабораторных животных для медицинских тестов, а также потенциально опасных испытаний на людях.

Полимеры | Бесплатный полнотекстовый | Трехмерная биопечать в тканевой инженерии для медицинских приложений: классический и гибридный

1. Предпосылки

Технологии печати существуют в обществе на протяжении тысячелетий. С изобретением ксилографии до 220 года нашей эры в Китае [1] и последующим развитием печатного станка в Европе 15 века [2] технология печати значительно улучшила воспроизведение текста и изображений, что еще больше ускорило распространение информации. .Несомненно, технология печати сыграла революционную роль в формировании глобального общества во многих отношениях, включая язык, образование, промышленность, религию и политику [3]. Это особенно верно в отношении последних нескольких десятилетий, когда передовые технологии печати переходят от двумерной (2D) поверхностной печати к производству трехмерных структур путем непрерывного добавления слоев материалов для формирования трехмерных форм. Это открыло новые возможности для применения этого процесса аддитивного производства от быстрого прототипирования и производства в биомедицинской, аэрокосмической и архитектурной отраслях [4] до изготовления индивидуальных потребительских товаров, таких как механические детали, носимые устройства, копии моделей и даже 3D. печатная еда [5,6,7].Концепция 3D-печати была впервые описана Дэвидом Э. Х. Джонсом еще в 1974 году [8]. Затем он был основан Хидео Кодама с использованием фотоотверждающихся термореактивных полимеров для изготовления трехмерных пластиковых моделей в качестве раннего процесса аддитивного производства (AM) в 1981 году [9]. Позже, в 1986 году, Чарльз У. Халл представил методологию 3D-печати, названную «стереолитография», в которой слои материалов последовательно печатались слой за слоем, а затем отверждались для образования твердых структур, помещаясь в ультрафиолетовый (УФ) свет [10].Более позднее применение этого процесса сделало возможным создание жертвенных форм из смолы для изготовления трехмерных каркасов с использованием биологических материалов. За этим последовала разработка технологии прямой печати биоматериала в трехмерных каркасах с использованием систем на водной основе, не содержащих растворителей, что позволило осуществить трансплантацию с засеянными клетками или без них [11]. Недавний прогресс в нанотехнологиях, клеточной биологии и материаловедении сделал возможным использование трехмерной биопечати в качестве метода улучшения тканевой инженерии, что представляет собой огромный потенциал для дальнейших достижений медицины в будущем [12].В трехмерной биопечати небольшие единицы биоматериалов, биохимических веществ и живых клеток точно позиционируются с функциональными компонентами для создания тканеподобных трехмерных структур [13]. По сравнению с традиционным использованием 3D-печати для формирования бесклеточных каркасов, 3D-биопечать требует различных технических подходов для создания 3D-структур с механическими и биологическими свойствами, подходящими для осаждения живых клеток и восстановления функций тканей и органов, включая биомимикрию, автономную самосборка и мини-тканевые строительные блоки.[3]. У 3D-биопечати есть несколько преимуществ перед обычной 3D-печатью, включая точное распределение клеток, осаждение клеток с высоким разрешением, масштабируемость и экономичность. Тем не менее, остаются проблемы для развития и последующего применения 3D-биопечати для широкого распространения во многих отраслях промышленности, включая медицину. Чтобы назвать несколько, выбор пригодных для печати биоматериалов строго ограничен, современные методы печати должны быть улучшены для более высоких скоростей печати и лучшей масштабируемости, и даже более высокое разрешение печати желательно для получения конкретных биологических функций без ущерба для механических свойств.В последние годы появилось несколько отличных обзорных статей, посвященных развитию трехмерной биопечати. S. V. Murphy et al. написал систематизированную статью, подробно описывающую практически все аспекты 3D-биопечати, включая принципы 3D-биопечати, визуализацию и дизайн, методы и выбор материалов [3]. Также есть статьи, в которых конкретно обсуждаются достижения в технологиях и материалах 3D-печати, например, обзор HN Chia et al., В котором также обобщены многочисленные недавние примеры того, как традиционные небиологические методы 3D-печати были улучшены для повышения биосовместимости и изготовления биоматериалов [14].Другие авторы, такие как W. Jamróz et al., Сосредоточили свое внимание на фармацевтических и медицинских применениях 3D-биопечати, с широким охватом от повязок для ран и имплантатов до 4D-биопечати и биоробототехники [15]. Однако существует очень мало обзоров, которые иллюстрируют 3D-биопечать со всех сторон, включая методы, материалы и приложения с добавлением новых гибридных технологий 3D-биопечати, чтобы дать исследователям более полный обзор развития 3D-биопечати и возможных новых направлений для инновации.

В этом обзоре представлены последние достижения трехмерной биопечати для тканевой инженерии. Сначала мы познакомим вас с основными стратегиями 3D-печати (как небиологической, так и с биопечатью), а также их преимуществами и недостатками. В частности, мы представляем гибридные методы AM для приложений трехмерной биопечати при регенерации тканей. Далее рассматриваются критерии пригодных для печати биоматериалов и источников клеток для 3D-биопечати. Затем исследуются медицинские применения 3D-биопечати. Наконец, мы обсуждаем текущие ограничения и будущие перспективы 3D-биопечати.

5. Проблемы и перспективы на будущее

Трехмерная биопечать — это новый многообещающий подход к тканевой инженерии, позволяющий создавать специфические конструкции с желаемыми структурными и механическими свойствами и непосредственно депонировать живые клетки с необходимыми биологическими функциями для регенеративного строительства каркасов. , ткани и органы; Однако проблемы, связанные с конкретными техническими, материальными и клеточными аспектами процессов биопечати, остаются критическими для будущего развития 3D-биопечати.

Существует потребность в увеличении разрешения, скорости печати и совместимости биоматериалов с технологической точки зрения. Ограничение разрешения для струйной и экструзионной биопечати накладывается физическим ограничением сопел, обычно выше 50 мкм [49]. Лазерная биопечать имеет более высокое разрешение по сравнению с микронным размером фокуса светового луча от микрозеркала в лазерном источнике [158, 159], что позволяет изготавливать сложные трехмерные структуры с субмикронным разрешением.Однако улучшение разрешения до наномасштаба (субклеточного или молекулярного уровня) необходимо для существующих технологий биопечати, чтобы лучше контролировать физическое руководство, обеспечиваемое микроархитектурой и гетерогенным распределением функциональных биомолекул, таких как факторы роста и пептидные лиганды [49]. Помимо экономических причин и причин повышения производительности для сокращения времени печати при крупномасштабном производстве для клинического использования, существуют ситуации, в которых увеличенное рабочее время является недостатком для сохранения свойств и функциональности биочернилы, и требуется обслуживание частично напечатанных структур.Внедрение параллельных биопринтеров с функциями печати с несколькими головками и других усовершенствований процесса печати, таких как непрерывное создание интерфейса жидкости (CLIP) 3D-структур [160], эффективно сократило общее время печати. Что касается гибридной 3D-биопечати, следует прилагать усилия к поиску более мягких условий обработки для лучшей интеграции AM и CM с инкапсуляцией клеток во время производства, особенно для таких подходов, как LFDM, LDM и RFP. С другой стороны, выбор материалов остается серьезная проблема для 3D-биопечати.Как упоминалось в предыдущем разделе, подходящий материал для биопечати должен быть биосовместимым, совместимым с печатью и обладать структурными и механическими свойствами для поддержки и поддержания жизнеспособности и функции клеток. Биомиметические материалы, такие как биочернила dECM, используются для имитации микроархитектуры для лучшей регенерации клеток и тканей, но часто не обладают механической прочностью и требуют поддерживающих материалов, которые являются более прочными, но менее биологически активными, такими как PCL [161]. Использование настраиваемых биочувствительных элементов является многообещающим для включения других желаемых характеристик, таких как биоразлагаемость и биосовместимость с механическими свойствами [162,163,164].Ограниченное количество пригодных для печати биоматериалов также относится к гибридной 3D-биопечати, в результате чего только несколько конструкций, изготовленных гибридными методами, были тщательно изучены in vitro и in vivo [67]. Биопечать требует, чтобы источники клеток быстро размножались и дифференцировались под контролем, не проявляли отрицательных иммунных ответов у пациентов, воспроизводили все функции тканей и органов и выживали в процессе печати с адекватной жизнеспособностью и сохранением функциональности.Недавние достижения в применении малых молекул в культуре клеток делают его многообещающим для большего контроля над манипулированием ростом клеток с признаками направленной дифференциации [165, 166, 167, 168]. Помимо проблем, связанных с технологиями и источниками материалов, с растущей доступностью персонализированной 3D-печати и персональных 3D-принтеров , возникнут серьезные требования к регулированию и надзору за конкретной печатной продукцией. Одна из текущих проблем и проблем заключается в том, что широкая доступность 3D-биопечати может привести к нерегулируемому домашнему использованию для изготовления тканей своими руками.Другая проблема заключается в том, что биопечать потенциально может быть использована в биотерроризме для разработки биологического оружия, которое угрожает жизни других людей [169]. Другие проблемы связаны с этическими и нормативными аспектами клинических испытаний на людях, связанных с 3D-биопечатью, потому что природа лечения 3D-биопечатью четко настраивается и предназначена для целевого пациента и только для этого пациента. Насколько этично тестировать орган с биопринтом, используя собственные клетки пациента, но сначала на ком-то другом [170]? Или насколько эффективно для пациента выступать в качестве своего собственного объекта тестирования и как правила могут играть роль в подобных ситуациях, чтобы защитить преимущества пациентов и поставщиков медицинских услуг? Потребуются годы, чтобы разработать подходящую нормативно-правовую базу или конкретное нормативное руководство для эффективного управления тканями с трехмерной биопечатью в глобальной среде.Тем не менее, усилия могут быть предприняты и были предприняты для улучшения местного регулирования трехмерной биопечати. Министерство по безопасности пищевых продуктов и лекарств в Южной Корее и Агентство по фармацевтике и медицинскому оборудованию в Японии предоставили некоторые конкретные нормативные указания, свободно применимые к 3D-биопечати, хотя некоторые из них касаются только 3D-печати в целом и регулируют только академические исследования и маркетинг. авторизация ограниченных типов 3D-биопечати [171]. Ясно, что установление управления и регулирования имеет решающее значение для устойчивого развития технологии 3D биопечати [135].

6. Выводы

Трехмерная биопечать продемонстрировала превосходные возможности тканевой инженерии с многочисленными приложениями для регенеративной медицины, трансплантации и открытия лекарств. В качестве передового метода изготовления сложных трехмерных конструкций с желаемыми биологическими, структурными и механическими свойствами по-прежнему требуются улучшения для технологических усовершенствований и более широкого диапазона выбора материалов. Интересно, что гибридные технологии 3D-биопечати, сочетающие аддитивное и традиционное производство, продемонстрировали многообещающие улучшения в разрешающей способности печати, конструкциях с большей механической прочностью, естественной биологической микросреде и деятельности, связанной с клетками.Регулирование и надзор за 3D-биопечатью также необходимы для устойчивого развития в будущем. Несмотря на достигнутый прогресс, 3D-биопечать остается новой и развивающейся технологией с невероятным потенциалом в стратегиях производства и здравоохранения.

Последние достижения в 3D-печати биоматериалов | Journal of Biological Engineering

Большинство методов SFF создают трехмерные биомедицинские устройства в процессе слой за слоем. Общий процесс SFF включает в себя: 1) создание компьютерной 3D-модели (может быть сгенерировано из данных медицинской визуализации, таких как компьютерная томография или рентгеновские снимки) 2) разрезание компьютерной 3D-модели в файл сборки 2D-изображений с помощью программного обеспечения, 3) изготовление строить с помощью управляемого компьютером послойного процесса и 4) финишной обработки с любой последующей обработкой, такой как модификация поверхности для наноархитектуры.Сложные трехмерные элементы, такие как внутренние пустоты, кантилеверы, поднутрения и узкие извилистые пути, просто сводятся к набору общих двумерных элементов, таких как круги, линии и точки. За исключением ограничений траектории инструмента, эти аддитивные технологии предлагают гораздо более высокий уровень сложности формы. Хотя эти технологии SFF были разработаны в первую очередь для промышленного применения, их гибкость в создании сложных трехмерных форм делает технологии SFF привлекательными кандидатами для биомедицинской инженерии.Были представлены различные методы SFF для создания объектов с контролируемой макроархитектурой, а также микроструктур с приложениями в области биомедицины и тканевой инженерии. Свобода формы в сочетании с соответствующей технологией осаждения материала обеспечивает контроль над триадой тканевой инженерии, одновременно управляя пространственным распределением клеток, сигналов и каркасов субстратов во время изготовления. Кроме того, эти технологии позволяют интегрировать оцифрованные данные медицинской визуализации с моделями автоматизированного проектирования [5,6].Интеграция технологий SFF с данными медицинской визуализации для конкретного пациента позволяет производить асептические трансплантаты тканевой инженерии, которые точно соответствуют контурам пациента. Эти технологии позволяют изготавливать многофункциональные каркасы, отвечающие структурным, механическим и питательным требованиям на основе оптимизированных моделей [7].

В этом обзоре будет описан краткий обзор пяти популярных технологий SFF и приведены примеры приложений тканевой инженерии.Для каждой технологии будут рассмотрены последние достижения в области возможностей машин и биоматериалов для печати.

Трехмерная печать

Описание технологии и применение

Изобретенная в Массачусетском технологическом институте технология трехмерной печати (3DP) позволяет создавать трехмерные структуры путем струйной печати жидкого связующего раствора на порошковой подушке [8-10]. В печати используется широкий спектр материалов, поскольку большинство биоматериалов существует в твердом или жидком состоянии.Процесс начинается с того, что слой мелкодисперсного порошкового материала равномерно распределяется по поршню. Система позиционирования X-Y и печатающая головка синхронизируются для печати желаемого 2D-рисунка путем выборочного осаждения капель связующего на слой порошка (рис. 1) [11]. Поршень, пороховой слой и деталь опускаются, и наносится следующий слой пороха. Цикл капельно-развёрнутой печати повторяется до тех пор, пока не будет завершена вся часть. Удаление несвязанного порошка показывает изготовленную деталь. Местным составом можно управлять, указав соответствующую печатающую головку для нанесения заданного объема соответствующего связующего.Локальную микроструктуру можно контролировать, изменяя параметры печати во время изготовления [12]. Включение микроканалов эффективно распределяет дополнительные посевные поверхности по внутренней части устройства, увеличивая эффективную плотность и однородность посева. Структурная химия поверхности потенциально предлагает пространственный контроль над распределением клеток нескольких типов. Эта технология ограничена конкурирующими потребностями между надежностью печатающей головки и разрешением функций, поскольку маленькие сопла могут создавать более тонкие функции, но более склонны к засорению.Текущее ограничение разрешения составляет 100 мкм для одномерных элементов (например, ширина самой тонкой линии печати) и 300 мкм для трехмерных элементов (например, толщина самых тонких вертикальных стенок для печати).

Рисунок 1

Схема 3D-печати. 3D-печать — это послойный процесс нанесения жидкого связующего вещества на тонкие слои порошка для создания 3D-объекта. Воспроизведено с разрешения из [11].

Изготовление сложных каркасов, таких как внутренние каналы или подвесные элементы, легко достижимо с помощью этой техники, поскольку объекты поддерживаются окружающими неограниченными порошками.Kim et al. создали высокопористые каркасы в сочетании с методами выщелачивания частиц с помощью 3DP и продемонстрировали врастание клеток в каркасы [13]. Кроме того, условия обработки при комнатной температуре позволяют включать термочувствительные материалы, такие как фармацевтические и биологические агенты, в каркасы [10]. Лам и др. изготовили каркасы на основе крахмала путем печати на дистиллированной воде, продемонстрировав возможность использования биологических агентов и живых клеток во время изготовления [14].Другой благоприятной характеристикой этой технологии для тканевой инженерии является многоцветная печать, при которой краска каждого цвета может быть размещена в определенном месте. Эта функция предлагает захватывающий потенциал для одновременного размещения нескольких типов клеток, депонирования нескольких материалов внеклеточного матрикса и осуществления прямого контроля над биологически активными агентами для производства биологических тканей. В этом отношении 3DP может быть более гибким для выбора материала для печати, чем другие технологии SFF.С помощью 3DP был напечатан широкий спектр биологических агентов, таких как пептиды, белки (например, фибриноген, коллаген), полисахариды (например, гиалуронан, альгинат), ДНК-плазмиды и живые клетки. Нанесение этих биологических материалов требует модификации промышленных машин 3DP. В частности, клетки должны содержаться в надлежащей среде с соответствующей температурой, оксигенацией и снабжением питательными веществами.

Другие материалы, ранее использовавшиеся в прямом 3DP, включают порошок, состоящий из синтетического полимера (т.е.е. поли (ε-капролактон), полилактид-когликолид или поли (L-молочная кислота)) с органическим растворителем в качестве связующего [10,13,15] и порошком природного полимера (иестарх, декстран и желатин) с водой в качестве связующего [14, 16]. Непрямая 3DP печатает форму, которая затем отливается из конечного полимера и порообразующих материалов. Материалы, ранее использовавшиеся в косвенной 3DP для печати формы, включают коммерчески доступный гипсовый порошок (например, гипсовый порошок полугидрата сульфата кальция) и связующее на водной основе. Затем форму заливают суспензией биоразлагаемого полимера, растворенного в растворителе, смешанном с порогеном (т.е.е.полилактид – когликолид в хлороформе, смешанный с NaCl) [17,18]. Полученный пористый каркас можно увидеть на рисунке 2 с ворсинчатыми столбиками [17]. Тканевые инженеры использовали 3DP для изготовления пористых керамических каркасов с полностью взаимосвязанными каналами непосредственно из порошка гидроксиапатита (ГА) для замены кости [16]. На основании медицинской информации, полученной от пациента, могут быть изготовлены индивидуализированные конструкции ГК анатомической формы. Эта технология также позволяет построить двухфазный каркас для регенерации гибридных тканевых систем, таких как височно-нижнечелюстной сустав (ВНЧС).Шервуд и др. разработали костно-хрящевые композитные конструкции, в которых верхняя область состоит из D, L-PLGA / L-PLA с пористостью 90% для регенерации хряща, а нижняя область состоит из композита L-PLGA / TCP для максимального прорастания кости [19 ]. Высокопористый каркас был создан с использованием этой технологии 3DP в сочетании с методом выщелачивания твердых частиц.

Рисунок 2

Каркас PLGA с ворсинчатыми столбами, созданный с помощью непрямой 3D-печати. Каркасы создаются путем упаковки 3D-печатной формы порогеном и полимером, растворенным в растворителе с помощью непрямого 3DP. Полученные каркасы имеют желаемые опоры в форме ворсинок (a), , а также высокую пористость и взаимосвязь (b) . Воспроизведено с разрешения из [17].

Эта проблема была решена с помощью практического косвенного протокола 3DP, в котором формы печатаются, а готовые материалы отливаются в полость формы [17,18]. В непрямой технике формы печатаются с использованием имеющегося в продаже гипсового порошка, а биоразлагаемые полимеры заливаются в печатную форму.Многие различные материалы могут быть отлиты при одинаковых параметрах процесса печати, в то время как отдельные параметры процесса необходимо оптимизировать, чтобы максимизировать разрешение сборки при традиционном прямом подходе 3DP. Эта технология может быть применена для лечения пациентов с переломами скуловой кости. Ли и др. продемонстрировали способность непрямого подхода 3DP к созданию каркаса скуловой кости непосредственно из данных компьютерной томографии, которые можно увидеть на рисунке 3 [17].

Рисунок 3

Каркасы, напечатанные на 3D-принтере, могут быть адаптированы под конкретного пациента. Зигома была создана из 2D изображений КТ (a, b) , а скаффолд в форме скаффолда был получен из непрямого 3DP (c) . Воспроизведено с разрешения из [17].

Преимуществом прямого 3DP является прямой контроль как над микроархитектурой (то есть размером пор), так и над макроархитектурой (то есть общей формой). Отпечатки, в которых в качестве порошка используется пороген, обеспечивают высокую степень взаимосвязанности пор, однородную пористость и определенный размер пор после выщелачивания. Этот метод показал возможность изготовления каркасов, которые могут поддерживать рост гепатоцитов [13].В отличие от непрямого 3DP, здесь нет ограничений по макроархитектуре и необходимости демонтажа. Одним из ограничений прямого 3DP является то, что органические растворители могут растворять полимеры, используемые в большинстве печатающих головок. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи использовали трафареты для нанесения полимерных растворов на частицы порогена (NaCl) для изготовления каркасов [13]. Однако использование трафаретов предотвращает изготовление очень сложных форм или мелких деталей. Доступны высокоточные печатающие головки, совместимые с органическими растворителями, но они оптимизированы для узкого диапазона полимерных растворов.Другим ограничением прямого 3DP является то, что толщина слоя должна быть больше, чем размер порообразных частиц, и менее 150 мкм, максимальный порог для сохранения межслойного соединения и прочности детали во время печати [12]. Чтобы преодолеть это ограничение размера порогена, необходимо напечатать более крупные поры. Одним из недостатков 3DP является ограниченный доступный размер пор в конечных конструкциях, когда порогены вводятся в порошки до их изготовления [15]. Сложность формы каркасов также ограничена, когда порошковый материал представляет собой разлагаемый полимер.Кроме того, этот подход 3DP для разлагаемого полимера требует использования органических растворителей в качестве жидких связующих. Поскольку органические растворители могут растворять большинство коммерчески доступных компонентов печатающих головок «капля по требованию», в опубликованных исследованиях требовалось использовать специальные машины, струи высокого разрешения через трафареты [15]. Однако для сложных конструкций такой подход непрактичен. Непрямое 3DP преодолевает многие ограничения прямого 3DP. В непрямой технике формы печатаются с использованием имеющихся в продаже материалов для моделирования, таких как гипс, а биоразлагаемые полимеры заливаются в печатную форму.Многие различные материалы могут быть отлиты при одинаковых параметрах процесса печати, в то время как отдельные параметры процесса необходимо оптимизировать, чтобы максимизировать разрешение сборки при традиционном прямом подходе 3DP. Эта технология может быть применена для лечения пациентов с переломами скуловой кости. Использование водного связующего позволяет использовать струйные печатающие головки потребительского уровня и устраняет необходимость в трафаретах [17]. Размер порогена не ограничен, поскольку он вводится в полость формы после печати, и не влияет на разрешение печати или взаимосвязь слоев.Высокая гибкость материалов с комбинациями полимер-пороген возможна благодаря независимости от свойств порошкового материала. Этот метод может быть использован для создания мелких деталей с высоким соотношением сторон (например, ворсинок тонкой кишки) или крупномасштабных высокопористых каркасов (то есть каркасов скуловых скулов анатомической формы с размером пор 300-500 мкм) [18]. Ограничениями непрямого 3DP являются: 1) проблемы с однородной плотной упаковкой порогена в сложных элементах (например, сложные внутренние поднутрения или пересекающиеся каналы) и 2) ограничения на форму или конструкцию элементов из-за сложности извлечения из формы.Неполная упаковка приведет к потере однородной микроархитектуры и желаемой макроархитектуры.

Основными преимуществами 3DP являются широкий спектр материалов, которые можно использовать благодаря обработке при комнатной температуре, и материал, используемый в форме порошка, возможность печати выступов и внутренней архитектуры, а также контроль микроструктуры. Недостатками 3D-печати являются ограниченное использование органических растворителей в качестве связующих из-за растворения коммерческих печатающих головок и трудности с удалением несвязанного порошка из небольших или изогнутых каналов.

Последние достижения в области материалов и технологий

Материалы 3DP включают полифосфат кальция и PVA [20], HA и TCP [21-25], TCP [26-29], TCP с легированием SrO и MgO [30,31], HA и апатит-волластонитовая стеклокерамика со связующим на водной основе [32], фосфат кальция с коллагеном в связующем [33], PLGA [34] и порошок Фаррингтонита (Mg ₃ (PO ₄ ) ₂ ) [35] . Материалы, используемые в непрямых желатиновых преформах 3DP, заменены на PCL и хитозан [36]. Исследования in vitro с бычьими хондроцитами для инженерии суставной хрящевой ткани [20], инженерии костной ткани [21,22,25,26,37], моноцитарных клеток из RAW 264.7 [22], остеобласты человека [23,29,32,34], линия домиобластов C2C12 [24] и стромальные клетки костного мозга [36]. Исследования in vivo проводились с костью свода черепа кролика [26], костью большеберцовой кости кролика и верхнечелюстной костью свиньи [24], дефектами бедренной кости крысы [28,30], дефектами бедренной кости мыши [33] и бедренной костью кролика [31].

Моделирование наплавленного осаждения

Описание технологии и применение

Моделирование наплавленного осаждения (FDM) — это осаждение расплавленных термопластичных материалов с помощью двух нагретых экструзионных головок с маленьким отверстием по определенной схеме укладки [38].Одно сопло наносит термопластический материал, а второе — временный материал для поддержки консолей. В FDM один из традиционных методов плавит термопластичный полимер до полужидкого состояния, и головка выдавливает материал на платформу сборки (рис. 4) [39]. Деталь строится послойно, когда слои сливаются вместе. Поскольку в FDM можно использовать несколько экструзионных сопел, каждое из которых имеет свой материал, нет теоретических ограничений на градиенты состава во всех трех измерениях для FDM.Однако на практике это не свелось.

Рисунок 4

Схема моделирования наплавленного металла. При моделировании наплавлением нить термопласта нагревается до состояния жидкости и экструдируется через сопло по определенной схеме укладки для создания каркаса. Печатается с разрешения из [39].

Наиболее важными критериями выбора материала для материалов FDM являются характеристики теплопередачи и реология (поведение потока жидкости).Термопласты обычно используются из-за низкой температуры плавления. Успешно используются ПВХ, нейлон, АБС и воск для литья по выплавляемым моделям. Для биоприложений обычно используется PCL из-за его низкой температуры плавления ~ 60 ° C, низкой температуры стеклования -60 ° C и высокой термостойкости [38,40]. PLGA ранее использовался с FDM для создания каркасов, однако высокая температура стеклования PLGA (40-60 ° C) делает обработку PLGA сложной задачей, поскольку требуется более высокая температура экструзии [41,42].Материал нагревают до ~ 110-140 ° C для создания правильных свойств текучести материала для выдавливания из сопла и сплавления слоев [38,40-42]. Можно использовать реологические модификаторы, но они должны быть биосовместимыми.

Управляемые переменные: толщина растра, ширина промежутка между растрами, угол растра и толщина слоя (в зависимости от диаметра наконечника выдавливания). Это приводит к созданию каркасов с контролируемым размером пор, морфологией и взаимосвязью. Экструдированный жидкий расплав должен быть достаточно горячим, чтобы быстро вызвать сплавление с ранее экструдированным материалом и быстро затвердеть, чтобы минимизировать текучесть и размер элементов.Кроме того, вязкость материала имеет решающее значение, чтобы быть как достаточно высокой, чтобы обеспечить экструзию через тонкое сопло, так и достаточно низкой, чтобы

Каркасы из биосовместимых материалов были изготовлены с различной морфологией пор и размером каналов путем управления движением экструзии по оси xy. голова [38]. В этой технологии также можно комбинировать материалы, такие как поли (этиленгликоль) терефталат / поли (бутилентерефталат) или полипропилен / TCP [43,44]. Другие композиты, такие как PCL / HA или PCL / TCP, используются с FDM из-за благоприятных механических и биохимических свойств для регенерации кости [45].

Основными преимуществами FDM являются высокая пористость за счет структуры укладки и хорошая механическая прочность. Проблемой для FDM является ограничение термопластических материалов с хорошими вязкостными свойствами расплава, которые имеют достаточно высокую вязкость для образования, но достаточно низкую для экструзии. Кроме того, эти свойства имеют ограниченную сложность формы для биологических материалов каркаса и обычно приводят к относительно регулярным структурам [40]. Следует отметить, что геометрическая сложность не ограничена для FDM с использованием промышленных материалов, которые выбраны так, чтобы иметь оптимальные термические и реологические свойства, но не обладают биосовместимостью.Другим недостатком FDM является невозможность включения живых клеток или чувствительных к температуре биологических агентов во время экструзии из-за высокой температуры обработки.

Последние достижения в области материалов и технологий

FDM обычно использует биосовместимые полимеры с низкими температурами плавления. Материалами, используемыми в FDM для создания каркасов, являются композиты PCL и биоактивного стекла [46], L-лактид / е-капролактон [46], PLGA с инфильтрацией коллагена [47], PCL-TCP с гентамицином [48], PCL-TCP [49] ], PLGA-TCP и покрытый HA [42], PCL-PLGA-TCP [50], PLGA-PCL [51], PCL, покрытый желатином [52], PCL [53,54], PMMA [55] и PLA [46].Исследования in vitro проводились с хондроцитами свиней [47], преостеобластами мышей [52] и мезенхимальными стволовыми клетками костного мозга [53]. Исследования in vivo с использованием моделей заживления ран на мышах [48], пациентов с черепно-лицевым дефектом [49] и дефекта костей кролика [42,50]. Применения включают инженерию хрящевой ткани, систему доставки антибиотиков [48], костные черепно-лицевые дефекты у людей [49,55] и инженерию костной ткани [13].

Хотя количество волокон FDM увеличивается с каждым месяцем, выбор материалов бледнеет по сравнению с общим количеством термопластов, которые могут быть получены с помощью обычного литья под давлением.Одно из недавних достижений может значительно расширить диапазон материалов, доступных для 3D-печати, и превратить его из метода прототипирования в жизнеспособный производственный метод — это включение точного литья под давлением в портал для 3D-печати. Эта комбинация имеет значительный потенциал, поскольку она может обрабатывать большинство термопластов, которые существуют в виде обычных гранул для литья под давлением, без предварительной обработки в мелкие порошки или традиционные волокна FDM. По сути, это литье под давлением конечных структур без использования пресс-форм, что делает возможным изготовление единственного в своем роде медицинского устройства для одного пациента за раз [56].

Стереолитография

Описание технологии и применение

Стереолитография (SLA) считается первым процессом быстрого прототипирования и была разработана в конце 1980-х годов [57]. Исходный SLA растрирует луч HeCd-лазера для пространственного управления полимеризацией фотоотверждаемой смолы в 2D-образцах [58]. После отверждения каждого слоя платформа с прикрепленной отвержденной структурой затем опускается снизу вверх, и поверх нее распространяется еще один слой неотвержденной жидкой смолы.Самый верхний слой готов к нанесению узора. При подходе сверху вниз свет проецируется на прозрачную пластину, изначально расположенную рядом с дном сосуда, содержащего жидкую смолу (рис. 5) [59]. После того, как слой нанесен на прозрачную пластину, отвержденная структура отделяется от прозрачной пластины. Отвержденная структура приподнята, чтобы неотвержденная жидкая смола могла заполнить пространство между структурой и прозрачной пластиной. Следующий слой теперь готов к нанесению узора. Поскольку растрирование лазерного луча может быть медленным, особенно для больших деталей, технология маскированной лампы была разработана для одновременного отверждения всего слоя фотополимеров.После того, как конструкция построена, неполимеризованная жидкая смола удаляется путем слива. Последующее отверждение в УФ-печи преобразует все непрореагировавшие группы и укрепляет деталь [60].

Рисунок 5

Схема стереолитографии. Стереолитография — это полимеризация фотоотверждаемой смолы с помощью восходящей системы со сканирующим лазером (слева) или нисходящей установки с цифровой проекцией света (справа). Воспроизведено с разрешения [59].

Кинетика реакций отверждения, происходящих во время полимеризации, имеет решающее значение.Это влияет на время отверждения и толщину полимеризованного слоя. Кинетикой можно управлять с помощью мощности источника света, скорости сканирования, химического состава и количества мономера и фотоинициаторов. Кроме того, к смоле могут быть добавлены УФ-поглотители для контроля глубины полимеризации [61].

Материалы должны иметь фотоотверждаемые части для фотошивки. Типичные материалы, используемые в STL, включают акрил и эпоксидные смолы. Для применения в тканевой инженерии существует очень мало биоразлагаемых и биосовместимых биоматериалов, размерно стабильных во время фотополимеризации.Фотосшиваемый полипропиленфумарат (PPF) [62] обычно используется в SLA и используется для изготовления сложных трехмерных каркасов с контролируемой микроструктурой для реконструкции дефектов черепа кроликов [58]. PPF требует реактивного разбавителя, такого как диэтилфумарат или N-винил-2-пирролидон, для снижения вязкости смолы в надлежащих условиях обработки [63]. Эти разбавители вводят значительные количества неразлагаемого компонента. Смолы с биокерамическими дисперсиями и без них были обработаны SLA.

Медицинские применения SLA включают изготовление анатомических моделей для предоперационного планирования и косвенное изготовление медицинских устройств с использованием шаблонов SLA для форм (например, заполнение структуры SLA для использования в качестве отрицательной формы) [64,65]. Компоненты титановых зубных имплантатов были изготовлены путем электроэрозионной обработки титановых слитков на основе SLA-модели.

Преимуществами SLA являются возможность создавать сложные формы с внутренней архитектурой, простота удаления неполимеризованной смолы и чрезвычайно высокое разрешение элементов (~ 1.2 мкм) [66]. Основным недостатком SLA является нехватка биосовместимых смол с надлежащими технологическими свойствами SLA. Дополнительными проблемами являются использование фотоинициаторов и радикалов, которые могут быть цитотоксичными (с длительным временем обработки), улавливание непрореагировавшего мономера и остаточного фотоинициатора, а также невозможность создания композиционных градиентов вдоль горизонтальных плоскостей. Фотополимеризованная смола также имеет плохие механические свойства, необходимые для инженерии твердых тканей. Наконец, временные опорные конструкции должны быть включены в модель САПР для изготовления неподдерживаемых элементов (например,грамм. свесы, консоли). Полное удаление опорных конструкций может быть затруднено.

Последние достижения в области материалов и технологий

Недавние улучшения SLA заключаются в увеличении библиотеки фото-сшиваемых полимеров и использовании нескольких смол для одной конструкции. За последние несколько лет синтезируется все больше полимеров, содержащих алифатические полиэфиры, допускающие биоразложение. Полученный макромер затем акрилируют, чтобы обеспечить возможность фотошивки. Использование нескольких смол для одной сборки было показано с формированием паттерна PEG-DMA и PEG-DA с флуоресцентно меченным декстраном, флуоресцентно меченным биоактивным PEG или биоактивным PEG в различных областях каркаса [67].При смене материала каркас удаляют из резервуара со смолой, промывают дистиллированной водой и в чан добавляют новую смолу. Приспособление использовалось для сохранения совмещения каркаса по осям X-Y для обеспечения выравнивания слоев. Динамическая проекция маски SLA смогла достичь разрешения по горизонтали около 2 мкм и разрешения по вертикали около 1 мкм для смолы PPF [68]. Микроструктуры, которые могут быть изготовлены с помощью этой технологии, чрезвычайно детализированы, хотя все еще существуют проблемы создания горизонтальных каналов и предотвращения усадки структур.

SLA недавно увеличила библиотеку смол с биоразлагаемыми фрагментами и инкапсулированием клеток во время обработки. Синтезированные новые макромеры включают сегменты PCL (трехлепестковые с концевыми гидроксильными группами) [69] или поли (d, 1-лактид) [63,70,71]. Фотоотверждаемая поли (D, L-лактид) (PLLA) смола без использования реактивных разбавителей была разработана и применяется в SLA [70]. Концевые группы модифицированы до акрилата или метакрилата, чтобы обеспечить возможность фото-сшивки. Другой смолой, недавно использованной для изготовления каркасов SLA, является PPF-DEF [72,73] и PPF-DEF с микросферами PLGA, нагруженными BMP-2 [74].PPF-DEF или PPF-DEF с HA используется в μSL (разрешение <5 мкм), хотя происходит усадка полимера, вызывающая коробление деталей [68,75]. Макромеры из поли (триметиленкарбоната) используются для гибких, эластичных применений с жесткостью 22–156 кПа [76], например, для инженерии хрящевой ткани [77]. Более жесткие структуры были изучены in vitro с преостеобластами мышей [70], эндотелиальными клетками пупочной вены человека [78], клетками костного мозга крыс [73], преостеобластами MC3T3-E1 [63,72,74] и мезенхимальными клетками человека. стволовые клетки [71].Широкое применение SLA - инженерия костной ткани [79], и исследования in vivo показали, что способствует формированию кости при дефектах черепа у крыс [74]. Для более мягких и гибких применений, таких как инженерия хрящевой ткани, были проведены исследования in vitro с хондроцитами крупного рогатого скота [77]. Было обнаружено, что посев и культивирование клеток улучшаются с помощью каркасов с SLA-контролируемой архитектурой сети пор по сравнению с каркасами, изготовленными из солевого выщелачивания с поли (d, l-лактидными) олигомерами и PFF-DEF [73,80]. Инкапсуляция клеток во время SLA была продемонстрирована с помощью PEG-DA с клетками NIH / 3T3 [81] и PEG-DMA с человеческими хондроцитами, хотя и с помощью струйного принтера [82].

Селективное лазерное спекание / плавление

Описание технологии и применение

Селективное лазерное спекание (SLS) было разработано Техасским университетом в 1989 году. SLS аналогично 3DP в связывании частиц порошка в тонких слоях, за исключением CO ₂ используется лазерный луч (рис. 6) [83]. Лазер сканирует поверхность порошкообразных полимерных частиц в виде определенного 2D-рисунка для спекания, нагревая их выше температуры стеклования. Во время спекания молекулярная диффузия вдоль внешней поверхности частицы приводит к образованию шейки между соседними частицами.После создания одного слоя поршень, содержащий деталь, опускается, и свежий слой порошкового материала прокатывается по верхней поверхности. Формируется следующий слой, который привязывается к предыдущему слою. Несвязанный рыхлый порошок удаляется после того, как деталь будет завершена, и подвергнется термообработке для достижения полной плотности. Временные опорные конструкции не нужны, в отличие от SLA, поскольку несвязанные твердые частицы поддерживают любые консольные конструкции. Поскольку спекание не приводит к полному плавлению частицы порошка, пористость между исходными частицами может быть сохранена, и можно обрабатывать широкий диапазон чистых и смешанных материалов.

Рисунок 6

Схема селективного лазерного спекания. Селективное лазерное спекание использует лазер для сплавления частиц порошка для создания трехмерного каркаса. Между каждым наплавленным слоем выкладывают тонкие слои порошка. Печатается с разрешения из [83].

В то время как твердотельное спекание может быть достигнуто для большинства материалов между 0,5-1 T _{плавлением} , селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевая плавка (EBM) используют интенсивную энергию для нагрева порошка выше T _{плавления} для полного сплавления частиц в одну полностью плотную консолидированную структуру.На практике плавление легче осуществить, если весь порошок имеет одну точку плавления, и поэтому его легче осуществить с чистыми металлами, чем со сплавами, из-за различий в поведении жидкого металла, поверхностном натяжении и взаимодействии лазера с материалом. Поэтому ассортимент материалов для SLM более ограничен, чем для SLS.

Разрешение деталей определяется размером частиц порошка, диаметром сфокусированного лазерного луча и теплопередачей в слое порошка. Предел размера частиц составляет 10 мкм из-за плохого распределения и слишком быстрого спекания, что приводит к неточности кромок.Обычно используемые материалы — это PCL и комбинация простого полиэфирэфиркетона и гидроксиапатита [84-87]. Из биоматериалов обычно изготавливают тонкие твердые диски, но они изготавливаются в масштабе ~ 400-500 мкм.

В SLS использовались керамические порошки и термопласты с ранее нанесенным покрытием. Промежуточные связующие материалы необходимы из-за чрезмерно высокой температуры стеклования и температуры плавления керамического порошка. Промежуточные связующие материалы будут плавиться раньше керамического порошка и сплавить вместе керамические частицы.Tan et al. изготовили костные имплантаты из фосфата кальция путем спекания порошка фосфата кальция, покрытого полимером [88]. После изготовления детали и удаления излишков порошка последующая обработка (например, дополнительное спекание в печи) увеличивает прочность детали, но может вызвать усадку деталей. Биокомпозитная смесь поливинилового спирта (ПВС) и гидроксиапатита (ГА) также использовалась в SLS [89]. Частицы HA были покрыты водорастворимым PVA посредством распылительной сушки или физического смешивания. Эти части использовались для лечения черепно-лицевых дефектов и дефектов суставов.Williams et al. изготовлены каркасы из PCL с пористой архитектурой и достаточными механическими свойствами для инженерии костной ткани [90].

Этот метод также применим с медицинскими данными для создания анатомических структур. Каркас мыщелка нижней челюсти был продемонстрирован этим методом с использованием данных компьютерной томографии мыщелка свиньи [90]. Интеграция вычислительного дизайна и методов SLS позволяет изготавливать каркасы с анатомической внешней архитектурой и пористой внутренней структурой.Недавно было получено разрешение FDA на использование SLS для обработки полиэфирэфиркетона медицинского класса (PEEK) для изготовления индивидуальных черепно-лицевых имплантатов. Совсем недавно SLM был использован для создания первой готовой к имплантации титановой нижней челюсти для конкретного пациента, которая принимает дентальные имплантаты для поддержки протеза нижней челюсти [91].

Ключевым преимуществом SLS / SLM / EBM является возможность непосредственно изготавливать металлические имплантаты, которые способствуют прорастанию и регенерации костной ткани для несущих нагрузок, в которых требуются высокая вязкость разрушения и механическая прочность.Даже для ненесущих применений полимеры можно обрабатывать без использования органических растворителей. Немного легче достичь композиционных градиентов в SLS, чем в SLA, путем распределения разного порошка между разными вертикальными слоями, но композиционные градиенты в горизонтальной плоскости очень ограничены. Основными недостатками являются ограниченное количество материалов, которые плавятся, но не разлагаются под действием лазерного луча (высокие температуры), и необходимость последующей обработки для удаления захваченного порошка. Еще одно ограничение заключается в том, что проводимость и диффузия лазерного тепла вызывает нежелательное слияние соседних частиц порошка, ограничивая разрешение конечных элементов.Наконец, меньшие размеры пор ограничены, поскольку создаваемые поры зависят от размера частиц используемого порошка. Слишком маленькие частицы порошка нельзя использовать из-за плохого распределения из-за комкования порошка.

Последние достижения в области материалов и технологий

Последние достижения SLS заключаются в способности производить каркасы с меньшей жесткостью и с более высоким разрешением. Каркасы PCL были произведены с более низкой жесткостью 300-400 кПа [87], чем сообщалось ранее, при 14,9-113,4 МПа [85,86,90,92].Эта более низкая жесткость позволяет применять инженерные решения мягких тканей, например, сердечной ткани.

Была проделана работа по оптимизации процесса CAD / CAM для создания функционально дифференцированных каркасов (FGS, изменение жесткости внутри детали) с использованием библиотеки многогранников для контроля пористости. Обработанная затем пористость связана с жесткостью каркаса и продемонстрирована с помощью PCL в SLS [93]. Подробный обзор разработки дизайна микроархитектуры можно найти [94].Кроме того, метод FEA был использован для разработки микроархитектуры и прогнозирования механических свойств SLS [92,95].

Для SLS обычно используются материалы PCL и HA [92,96,97], PCL и β-TCP с коллагеновым покрытием [98], Ca-P / PHBV и CHAp / PLLA [99,100] и PVA [101] . Чтобы продемонстрировать инкапсуляцию биомолекул, BSA был инкапсулирован в микрочастицы Ca-P / PHBV и обработан [102]. Исследования in vitro были проведены с клетками миобластов C2C12 для инженерии сердечной ткани [87], клетками SaOS-2 [99], стромальными клетками костного мозга человека [103] и клетками остеопрогениторов человека [52], стволовыми клетками, полученными из свиного жира [ 98,104] и MG-63 [101] для инженерии костной ткани.Исследования in vivo, проведенные на голых мышах, показали лучшее формирование тканой кости и сосудистой ткани [98]. Применения — инженерия костной ткани и межтеловые кейджи для спондилодеза [97].

3D-печать / биопечать с прямой записью

Описание технологии и применение

3D-печать была разработана в Центре исследования материалов Фрайбурга в 2000 году для создания каркасов мягких тканей. 3D-построение основано на выдавливании вязкого жидкого материала (обычно раствора, пасты или дисперсии) из шприца под давлением в жидкую среду с соответствующей плотностью.Материал наносится одной длинной непрерывной нитью или отдельными точками из сопла или шприца для создания желаемой трехмерной формы керамики, полимеров или гидрогелей [105]. Процесс может происходить при комнатной температуре или при повышенных температурах, но не включает термопласты, как в FDM.

Этот метод SFF особенно применим для природных биоматериалов для создания гидрогелей. Landers et al. использовали термообратимые природные полимеры, такие как агар и желатин в растворе. Раствор нагревают и экструдируют при ~ 80 ° C в более холодную жидкую среду (~ 20 ° C) из желатина или силиконового масла для быстрого затвердевания нагретого раствора.[106,107]. Другой подход заключается в экструзии полимеров в жидкую среду, содержащую реагенты для сшивания. Примером материала является экструзия желатина в резервуар с Ca ²⁺ для микрососудов [108]. Для других материалов, таких как TCP, раствор готовится из воды, выдавливается из шприца и затем лиофилизируется для удаления жидкости [109]. Полученный диаметр каждой стойки составил ~ 400 мкм.

Основными преимуществами являются гибкость материала и обработка при комнатной температуре (если применимо).Кроме того, во многих других технологиях SFF нельзя использовать натуральные полимеры из-за условий обработки. Одним из ключевых недостатков является сложность изготовления сложных форм с выступами, поскольку необходим временный расходный материал. Кроме того, гидрогели, созданные этим методом, имеют низкую жесткость, что может привести к разрушению структур или ограничению сложности форм.

Точно так же биопечать — это изготовление гидрогелевых структур с прямым включением клеток (рис. 7).Клетки добавляются во время обработки в стратегиях клеточной печати, таких как раствор альгинатных клеток (хондроцитов крупного рогатого скота), выдавленный из шприца [110], струйная печать с электростатическим приводом эндотелиальных клеток сосудов крупного рогатого скота в культуральной среде [111], прямая запись эмбриональных клеток под лазерным контролем. клетки спинного мозга цыплят [112] и индуцированный лазером прямой перенос клеток, суспендированных в альгинате [113]. Эта технология обеспечивает контролируемое пространственное распределение клеток или факторов роста, а также структур каркаса.Однако этот метод изготовления обычно ограничивается гидрогелевыми материалами, такими как альгинат и фибрин, которые могут не быть идеальными для имплантации в биологические среды, требующие сильных механических свойств. Примером применения являются капли коллагена, нагруженные гладкомышечными клетками крысы (диаметром 650 мкм), для создания специфических пространственных структур клеток в 3D [114]. Этот метод SFF особенно хорош для материалов с низкой вязкостью, а плавучесть за счет согласования плотности экструдированного материала с жидкой средой предотвращает сжатие формы.Толщина нити может варьироваться в зависимости от вязкости материала, скорости осаждения, диаметра экструзионного наконечника и приложенного давления.

Рисунок 7

Схема биопечати. При биопечати маленькие шарики биочернил, состоящих из клеток и гидрогелевых материалов (например, альгината или децеллюляризованного внеклеточного матрикса), печатаются в желаемой форме. Воспроизведено с разрешения из [11].

Основными преимуществами биопечати являются обработка при комнатной температуре (если применимо), прямое включение клеток и однородное распределение клеток.Основными недостатками являются ограниченная механическая жесткость, критическое время гелеобразования, конкретное соответствие плотностей материала и жидкой среды для сохранения формы и низкое разрешение. Дальнейшая разработка материалов, оптимальных для биофакторной печати, и печатающих головок следующего поколения, которые могут по отдельности наносить несколько биофакторов и материалов на одну и ту же платформу, обеспечит возможность создания конструкций, удовлетворяющих сложным биологическим требованиям каркасов тканевой инженерии.

Последние достижения в области материалов и технологий

Материалы для биоплоттинга включают PLGA, TCP, коллаген и хитозан [109], хитозан [115], композиты коллаген-альгинат-диоксид кремния, покрытые ГК [116], соевым белком [117,118] и агарозой с желатин [107]. Исследования in vitro проводились с преостеобластами мышей [116] и мезенхимальными стволовыми клетками человека [117]. Исследования in vivo проводились на каваларийных дефектах овец [109]. Применения включают инженерию костной ткани [109,116], регенерацию тканей [118].

Материалы для биопечати представляют собой агарозу с гладкомышечными клетками пупочной вены человека (HUVSMCs) и фибробластами кожи человека (стержни) [119], желатин-HA-tetraPEG-DA с NIH 3T3 (стержни) [120], первичные гладкомышечные клетки мочевого пузыря крысы в каплях коллагена [114], эндотелиальных клетках микрососудов человека в фибрине (струйный принтер) [121] и каплях альгината [108]. Применяются в основном для инженерии сосудистой ткани [108,119-121].

Недавние исследования показали способность биопечати одиночных клеток и нагруженных клетками каркасов гидрогеля-PCL.Высокая производительность печати массивов одиночных ячеек была продемонстрирована с помощью «блочной печати ячеек» [122]. Микрожидкостные решетки крючковидных ловушек используются для улавливания одиночных клеток. Захваченные клетки могут быть спарены и разделены на 5 мкм для изучения клеточной коммуникации. В этом исследовании культивировали захваченные первичные нейроны коры головного мозга крысы, и клетки демонстрировали нейрональную морфологию. Ahn et al. биопечать нагруженные клетками гидрогели высокой плотности путем экструзии раствора клеточного альгината при 4 ° C на ступень -10 ° C для создания структуры [123]. Альгинат был сшит для придания прочности путем инкубации структуры в растворе CaCl ₂ .Хорошая жизнеспособность мезенхимальных стволовых клеток человека и остеобластоподобных клеток человека после обработки была показана. Наконец, послойный процесс поочередно депонировал нагруженные хондроцитами капли гидрогеля (альгинатная или децеллюляризованная биочувствительная матрица внеклеточного матрикса) и PCL в послойном процессе для создания трехмерной структуры [124–126] (рис. 7).

Последние достижения в технологии печати с использованием биофакторов позволяют одновременно печатать фармацевтические и биологические агенты во время производства.Xu et al. продемонстрировали, что технология струйной печати может точно разместить клетки и белки в трехмерных альгинатных структурах [127].

(PDF) Трехмерная биопечать в тканевой инженерии и регенеративной медицине

Cui X, Gao G, Yonezawa T, Dai G (2014) Хрящ человека

Изготовление ткани с использованием технологии трехмерной струйной печати

. J Vis Exp 88: e51294. DOI: 10.3791 / 51294

de Jong J, de Bruin G, Reinten H, van den Berg M, Wijshoff H,

Versluis M, Lohse D (2006) Воздухововлечение в пьезо-струйных печатающих головках

ven.J Acoust Soc Am 120: 1257–1265

Deitch S, Kunkle C, Cui X, Boland T, Dean D (2008) Collagen

выравнивание матрицы с использованием технологии струйного принтера. Mater

Res Soc Symp Proc 1094: 52–57

Di BC, Fosang A, Donati DM, Wallace GG, Choong PF (2015)

Трехмерная биопечать хряща для хирургов-ортопедов: читать —

между строк . Front Surg 2:39

Elisseeff J, McIntosh W., Anseth K, Riley S, Ragan P, Langer R

(2000) Фотоинкапсуляция хондроцитов в полупроникающих сетях на основе поли (-

этиленоксида).

J Biomed Mater Res 51: 164–171

Fujita H, Shimizu K, Nagamori E (2010) Новый метод для

измерения генерации активного напряжения с помощью C

2

C

12

myotube

Коллагеновая пленка, сшитая ультрафиолетом. Biotechnol Bioeng

106: 482–489

Gao G, Schilling AF, Yonezawa T, Wang J, Dai G, Cui X (2014)

Биоактивные наночастицы стимулируют формирование костной ткани в

трехмерных каркасах с биопечатью и человеческих тканях. —

энхимальных стволовых клетки.Biotechnol J 9: 1304–1311

Gao G, Schilling AF, Hubbell K, Yonezawa T., Truong D, Hong

Y, Dai G, Cui X (2015a) Улучшенные свойства кости и

хрящевой ткани с помощью 3D-струйной печати. биопринтировал mes-

энхимальных стволовых клеток человека путем одновременного осаждения и фото-

для кросслинкинга в PEG-GelMA. Biotechnol Lett. DOI: 10.

1007 / s10529-015-1921-2

Gao G, Yonezawa T, Hubbell K, Dai G, Cui X (2015b) Inkjet-

биопринтированные акрилированные пептиды и гидрогель PEG с

человеческими мезенхимальными стволовыми клетками и образование хряща

с минимальным засорением печатающей головки.

Biotechnol J. doi: 10.1002 / biot.201400635

Goldmann T, Gonzalez JS (2000) ДНК-печать: использование стандартного струйного принтера

для переноса нуклеиновых кислот на твердые носители

. J Biochem Biophys Methods 42: 105–110

Guillemot F, Souquet A, Catros S, Guillotin B (2010a) Laser-

вспомогательная клеточная печать: принцип, физические параметры по сравнению с

судьбы клеток и перспективы в тканевой инженерии. Nanome-

dicine (Лондон) 5: 507–515

Guillemot F, Souquet A, Catros S, Guillotin B, Lopez J, Faucon

M, Pippenger B, Bareille R, Remy M, Bellance S, Cha-

bassier P, Fricain JC, Amedee J (2010b) Высокопроизводительная

лазерная печать клеток и биоматериалов для тканевой инженерии

neering.Acta Biomater 6: 2494–2500

Harms H, Wells MC, van der Meer JR (2006) Целоклеточные биосенсоры

— готовы ли они к применению в окружающей среде?

Appl Microbiol Biotechnol 70: 273–280

Hock SW, Johnson DA, Van Veen MA (1996). Качество печати

оптимизация для цветного струйного принтера за счет использования сопла

большего размера только для черных чернил. Патент США: 5521622

Hoenig E, Winkler T, Mielke G, Paetzold H, Schuettler D,

Goepfert C, Machens HG, Morlock MM, Schilling AF

(2011) Деформация прямого сжатия с высокой амплитудой улучшает механические свойства

тканевая инженерия без каркаса

хрящ.Tissue Eng Part A 17: 1401–1411

Hsieh FY, Lin HH, Hsu SH (2015) 3D-биопечать нервного ствола

термореактивный биоразлагаемый полиуретан, содержащий клетки,

гидрогель и потенциал для восстановления центральной нервной системы.

Biomaterials 71: 48–57

Hu C, Uchida T, Tercero C, Ikeda S, Ooe K, Fukuda T., Arai F,

Negoro M, Kwon G (2012) Разработка биоразлагаемых каркасов

на основе магнитных управляемая сборка магнитных частиц сахара

.J Biotechnol 159: 90–98

Hudson KR, Cowan PB, Gondek JS (2000). Объем капли чернил

компенсация отклонений для струйной печати. Патент США:

6042211

Hunziker EB (2002) Восстановление суставного хряща: фундаментальные науки и клинический прогресс

. Обзор текущего состояния и прогнозов

спек. Osteoarthr Cartil 10: 432–463

Hunziker EB, Driesang IM (2003) Принцип функционального барьера

для восстановления суставного хряща на основе фактора роста.

Osteoarthr Cartil 11: 320–327

Ивами К., Нода Т., Исида К., Моришима К., Накамура М., Умеда

Н (2010) Биологическое быстрое прототипирование путем экструзии / аспирации /

наполняемый термообратимый гидрогель. Biofabrication

2: 014108

Jain RK, Au P, Tam J, Duda DG, Fukumura D (2005) Engi-

neering vascularized fabric. Nat Biotechnol 23: 821–823

Jiang J, Tang A, Ateshian GA, Guo XE, Hung CT, Lu HH

(2010) Биоактивный стратифицированный полимерный керамико-гидрогелевый каркас

для интегративной костно-хрящевой пластики.Ann Biomed

Eng 38: 2183–2196

Jones AC, Arns CH, Sheppard AP, Hutmacher DW, Milthorpe

BK, Knackstedt MA (2007) Оценка прорастания кости

в пористые биоматериалы с помощью МИКРО-КТ. Биоматериалы

28: 2491–2504

Калсон Н.С., Гикас П.Д., Бриггс TWR (2010) Текущие стратегии восстановления

коленного хряща. Int J Clin Pract 64: 1444–1452

Канг Х.В., Пак Дж.Х., Канг Т.Й., Сеол Ю.Дж., Чо Д.В. (2012) Unit

клеточная автоматизированная производственная система для тканей

инженерия.Biofabrication 4: 015005

Ханарян Н.Т., Цзян Дж., Ван LQ, Моу В.К., Лу Х.Х. (2011) Гидрогелево-минеральный композитный каркас

для костно-хрящевой инженерии

интерфейсных тканей. Tissue Eng Part A

18 (5–6): 533–545

Kim TK, Sharma B, Williams CG, Ruffner MA, Malik A,

McFarland EG, Elisseeff JH (2003) Экспериментальная модель

для хрящевой ткани инженерия для регенерации зональной

организации суставного хряща. Osteoarthr Cartil

11: 653–664

Kim WR, Lake JR, Smith JM, Skeans MA, Schladt DP, Edwards

EB, Harper AM, Wainright JL, Synder JJ, Israni AK,

Kasiske BL (2015) Годовой отчет OPTN / SRTR за 2013 год:

печень.Am J Transpl 15 (S2): 1–28

Kon E, Muraglia A, Corsi A, Bianco P, Marcacci M, Martin I,

Boyde A, Ruspantini I, Chistolini P, Rocca M, Giardino R,

Cancedda R, Quarto R (2000) Аутологичный костный мозг

стромальных клеток, загруженных на пористую гидроксиапатитовую керамику

, ускоряют восстановление костей при дефектах критического размера длинных

костей овцы. J Biomed Mater Res 49: 328–337

Langer R, Vacanti JP (1993) Тканевая инженерия. Science

260: 920–926

Leboy PS, Beresford JN, Devlin C, Owen ME (1991) Dexam-

Этазоновая индукция мРНК остеобластов в костном мозге крысы

культур стромальных клеток.J Cell Physiol 146: 370–378

Levenberg S, Rouwkema J, Macdonald M, Garfein ES, Kohane

DS, Darland DC, Marini R, van Blitterswijk CA, Mulligan

Biotechnol Lett

123

3D-печать возможна. совершая гигантский скачок в здоровье. Это могло изменить все

На 3D-принтере можно много чего распечатать. Пистолет, дом, обед. Вскоре вы даже сможете печатать новые части себя.

В то время как в большинстве случаев 3D-печать используется для экструзии слоев пластика через сопло для создания трехмерной структуры, вскоре аналогичная технология может позволить врачам печатать структуры из человеческих клеток — из крошечных структур, таких как « органы на чипе ». ‘, до огромных, вроде целых сменных органов.

«Биопечать многообещающе — у нее много преимуществ и возможностей. Конечно, она еще не совсем идеальна, но, несмотря на это, у нас есть все эти хорошие вещи в полевых условиях», — говорит д-р Ибрагим Озболат, директор исследователь в лаборатории Ozbolat, специализирующейся на биопечати, при Университете Пенсильвании.

SEE: Руководство, чтобы стать чемпионом по цифровой трансформации (TechRepublic Premium)

Одна из таких вещей — изготовление органов для замены. Процесс биопечати тканей человека немного сложнее, чем, скажем, 3D-печать новой настольной игрушки. Во-первых, вы должны получить несколько стволовых клеток от человека, которому нужен новый орган, культивировать их в правильном биохимическом супе, пока у вас не будет достаточно, а затем превратить их в биочерку, которую можно выдавить через сопло толщиной два микрона ( или одну 80-ю размер человеческого волоса).Биочернила проталкивается через принтер, обычно на каркас из гидрогеля. Немного больше культивирования, и у вас может быть пригодная ткань, которую можно либо напечатать непосредственно на пациенте в операционной, либо встроить в лабораторию, а затем имплантировать.

Биопечать — это не быстрый процесс, но он может оказать существенное влияние на здравоохранение, не в последнюю очередь предлагая решение хронической нехватки донорских органов. В США, например, более 112 000 человек все еще находятся в очереди на трансплантацию.

Помимо того, что их просто не хватает, другая проблема с донорскими органами заключается в том, что иммунная система реципиента может атаковать их, вызывая отказ донорского органа. Если этого не произойдет в первые несколько дней или недель, в конечном итоге это произойдет — почки, полученные от живых доноров, как правило, служат от 12 до 20 лет. Людям с пересаженными органами также необходимо принимать лекарства для длительного подавления их иммунной системы. Хотя эти препараты уменьшают вероятность отторжения органов, они также подвергают тех, кто их принимает, риску других заболеваний, таких как определенные виды рака.

Органы с биопечатью, изготовленные из собственной ткани человека, не будут отторгаться их организмом, прослужат намного дольше, не будут нуждаться в лекарствах против отторжения и могут быть изготовлены по индивидуальному заказу в соответствии с точными измерениями человека — независимо от того, являются ли они четырехлетний или полузащитник НФЛ.

Во всяком случае, это цель. Пока что большинство человеческих органов были изготовлены в лаборатории и еще не дошли до имплантации людям. Не все человеческие органы созданы одинаково — или могут быть созданы с помощью биопечати, если на то пошло.Плоские ткани, такие как кожа, и полые, такие как желудок или мочевой пузырь, относительно легко напечатать, в то время как сложные твердые органы — сердце, печень или поджелудочная железа — будет намного сложнее воссоздать с помощью печати из-за обильного содержания крови. поставка, в которой они нуждаются.

Проблема, по словам доктора Энтони Атала, директора Института регенеративной медицины Уэйк Форест, заключается в кровеносных сосудах более крупных органов с биопечатью.

«Васкуляризация по-прежнему остается проблемой, потому что на сантиметр [в крупных органах, таких как сердце], приходится так много клеток, что вам действительно нужно много кровоснабжения и питания.Таким образом, создание больших структур по-прежнему является проблемой, хотя принтер определенно помогает в этой области, но мы еще не готовы ».

Чем больше орган, тем больше крови ему нужно для доставки органов и питательных веществ. к тканям. Для крупных органов требуется сложная сеть взаимосвязанных артерий, капилляров и вен разного размера. Стенки сосудов должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать нормальный ток крови через них, не вызывая сгустков, и должны быть сделаны из определенных слоев.На данный момент для 3D-биопринтеров это слишком сложно.

Пока исследователи работают над тем, как напечатать органы в натуральную величину, мельчайшие структуры с биопечатью уже помогают исследователям. Биопечать также можно использовать для создания «органов на чипе» — крошечных образцов ткани, имитирующих функции и структуры своих взрослых аналогов. Эти мини-органы позволяют фармацевтическим компаниям тестировать лекарства на вариантах тканей человека и оценивать их эффективность или токсичность вместо использования ненадежных и сложных с этической точки зрения животных моделей.

В один прекрасный день органы на чипе могут быть созданы с использованием собственных клеток человека для тестирования потенциальных методов лечения. Вместо того, чтобы использовать одни и те же стандартные методы лечения для каждого пациента, беря некоторые клетки, культивируя их и печатая на чипе, врачи могут иметь уникальное представление о том, как их пациент будет реагировать на конкретное лекарство, без необходимости начинать их в течение всего курса. из этого.

«Эти миниатюрные человеческие органы мы можем использовать для открытия лекарств, прямых испытаний на токсичность и персонализированной медицины, моделирования BCS и персонализированной медицины.Мы избрали ту же стратегию и, используя те же принтеры, можем напечатать миниатюрные структуры, которые воспроизводят нормальную реакцию человека », — говорит Атала.

SEE: Коронавирус и 3D-печать: как производители расширяют поставки vital medical kit

Помимо печати на здоровых тканях, биопринтеры могут делать образцы пораженных тканей, таких как рак, для исследования текущих и будущих методов лечения.

«Мы пытаемся найти способ создать эффективное лечение для солидные опухоли.Я работаю с иммунологами, [которые] конструируют иммунные клетки и производят цитотоксические клетки против раковых клеток. Теперь мы пробуем иммунные клетки в различных 3D-моделях, которые мы печатаем или строим. Это можно было бы использовать в качестве инструмента предварительного обследования для иммунотерапии: так что вместо того, чтобы непосредственно идти и проверять состояние пациента, это будет промежуточный шаг для проверки эффективности терапии », — говорит Озболат из Пенсильванского университета.

И это не так. единственный способ, которым биопечать — или, скорее, биопринтеры — может помочь в разработке новых методов лечения распространенных заболеваний.

В то время как принтеры HP больше ассоциируются с офисами, чем с лабораториями, HP также продает принтеры для медико-биологической отрасли с помощью своей линии D300 BioPrinter, которая печатает лекарства вместо документов. Машины обычно используются малыми и средними фармацевтическими компаниями при открытии вторичных лекарств, когда соединения, которые считаются эффективными против определенного заболевания, тестируются, чтобы увидеть, оказывают ли они какое-либо влияние на это состояние, и если да, то в какой дозе.

Принтер для наук о жизни появился на свет, по словам Аннетт Фрископп, глобального руководителя и генерального менеджера по системам специальной печати в HP Inc, после того, как группа инженеров HP начала исследовать самую ценную в мире жидкость, которую можно было пропустить через термический струйная печатающая головка или аналогичная.Духи, авиакеросин, редкие химические соединения?

«Одной из самых ценных жидкостей, которые они обнаружили в ходе этого исследования, были лекарственные соединения … Если вы когда-либо печатали фотографию на принтере HP, просто подумайте, сколько маленьких капелек чернил нужно направить на этот кусок. бумаги, поэтому когда фотография выходит из вашего принтера, это ваши друзья и семья. Используя ту же самую технологию, то есть дозирование [лекарств] с использованием технологии струйной термопечати », — говорит она.

Дэвид Ирлбек из Viiv Healthcare использовал HP D300 в своей работе для создания лекарств от ВИЧ, снижающих латентный период. (Обращение латентности включает в себя изменение латентной фазы ВИЧ-инфекции на активную, организм может выработать иммунный ответ против нее, и это считается многообещающим путем в поисках лекарства от ВИЧ.)

SEE: 3D-печать во время COVID-19 демонстрирует потенциал, но укус финансовой реальности

Viiv использует биопринтер HP D300 для измерения очень небольших и очень точных количеств определенных соединений, чтобы увидеть, как меняется их эффективность при различных дозах.По словам Ирлбека, машина «очень удобна в использовании, очень проста в программировании и может выполнять титрование, которое было бы чрезвычайно сложно выполнять вручную». Распечатав на принтере лекарства, исследователи могут довести их до более тонких и более тонких концентраций, которые исследователи-люди просто не смогли бы получить, выполнив тот же процесс вручную, и, вероятно, были бы менее точными, если бы они это сделали. А поскольку принтеры могут измерять дозы лекарств в крошечных и очень точных концентрациях, это позволяет исследователям-фармацевтам сократить любые потери (очень дорогих) соединений.

Биопринтеры также позволяют исследователям комбинировать два препарата в очень точных концентрациях, чтобы увидеть, могут ли они иметь синергетический эффект — когда два препарата вместе могут иметь больший эффект, чем тот, который оба производят по отдельности. «Это очень и очень технически сложная задача, связанная с синергетической работой без такого инструмента, как D300», — добавляет Ирлбек.

Помимо работы с лекарствами от ВИЧ, D300 недавно был задействован в лечении SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19, и готовил планшеты с лекарствами для лаборатории Университета Северной Каролины, которая изучал их противовирусный потенциал.

Биопринтеры также используются в других местах для борьбы с коронавирусом. HP пожертвовала четыре биопринтера D300e четырем исследовательским центрам, работающим над COVID-19: Испанскому национальному исследовательскому совету, Лаборатории обнаружения моноклональных антител в Fondazione Toscana Life Sciences в Италии, Центру ядерных рецепторов и клеточной сигнализации США (CNRCS) в США. Университет Хьюстона и университетская больница Франции Гренобль-Альпы. Между ними учреждения используют машины для исследования фундаментальной биологии COVID-19, моноклональных антител и других потенциальных терапевтических кандидатов, а также работают над иммунизацией: будущее здравоохранения, вероятно, будет напечатано на 3D-принтере.

3D-печатных деформируемых датчиков | Science Advances

ВВЕДЕНИЕ

Технологии трехмерной (3D) печати быстро развивались в течение последних нескольких десятилетий и теперь включают такие возможности, как роботизированная печать ( 1 ) и струйная печать ( 2 ), которые могут трехмерно переплетаться разнообразная палитра материалов помимо твердых пластиков, таких как проводники, напечатанные на 3D-принтере ( 3 — 5 ), полупроводники ( 6 , 7 ) и биоматериалы ( 8 ).Забегая вперед, 3D-печать может позволить изготавливать мягкие, совместимые биомедицинские устройства и датчики на коже и внутри тела, продвигая портативный мониторинг пациента ( 9 , 10 ), лечение ран ( 11 ) и функцию органов. аугментация ( 12 ). Например, пространственно-временные измерения деформации легких при ИВЛ могут предоставить ценную информацию для изучения механики дыхания ( 13 ), диагностики хронических заболеваний легких ( 14 ) и методов лечения рака легких ( 15 ).

Несмотря на это обещание, влияние существующих технологий 3D-печати на медицину еще только зарождается. В медицинских приложениях целевые живые биологические поверхности обычно мягкие и подвергаются постоянному движению и деформации. Эта изменяющаяся во времени геометрия в корне ограничивает применение существующих систем 3D-печати, которые были построены на парадигме разомкнутого контура, в которой заданный дизайн сначала создается в автономном режиме на калиброванной планарной подложке, а затем переносится на целевую биологическую поверхность ( 1 ).Это делает изделие «слепым» по отношению к наносимой поверхности, что приводит к прокрустовому переносу. Это происходит из-за несовпадения интерфейса между датчиками в исходном состоянии с определенными форм-факторами и целевыми поверхностями с различными, уникальными форм-факторами, которые меняются в зависимости от пользователя и со временем. Например, это может быть неприменимо к неплоскому, динамически изменяющемуся органу, такому как легкое. Более того, хрупкие трехмерные конструкции, такие как гидрогелевые материалы, могут быть повреждены во время ручной обработки, транспортировки и процессов трансплантации, которые подвержены загрязнению.Кроме того, ручные процессы передачи могут привести к неточностям в работе и непредсказуемым человеческим ошибкам. Альтернативным решением является печать на месте для беспрепятственной автономной интеграции датчиков на целевой поверхности. Для обеспечения печати на месте требуется новая функциональность: искусственный интеллект (ИИ) с обратной связью, который может динамически адаптировать процесс изготовления, определяя изменяющиеся во времени геометрические состояния биологических субстратов в режиме реального времени.

Для печати на месте на статической целевой поверхности неправильной формы в процедурах обратного проектирования использовались 3D-сканеры для получения точной геометрии поверхности для печати на месте клеток кожи на ложах раны ( 16 ).Совсем недавно мы разработали замкнутую систему в реальном времени, которая отслеживала движение недеформирующейся руки человека для выполнения трехмерной печати электронных татуировок на месте непосредственно на коже ( 17 ). Однако эти подходы неприменимы, когда мягкие ткани подвергаются сложным поверхностным деформациям, таким как расширение и сокращение. Требуется разработка вычислительно эффективного алгоритма, который может надежно и точно отслеживать многомерные данные о деформации. Здесь мы предлагаем смоделировать пространство деформации целевой поверхности, используя базовую модель формы, которую можно узнать из набора данных 3D-сканирования.С помощью модели изученной формы точная геометрия поверхности может быть восстановлена ​​в 3D с помощью набора реперных маркеров, отслеживаемых системой стереокамер. Восстановленная геометрия затем используется для динамической адаптации траектории 3D-печати в реальном времени.

Датчик деформации для измерения деформации должен быть совместим с поверхностью легочной ткани и процессом трехмерной печати in situ. Традиционные стратегии проектирования датчиков для пространственного картирования деформации поверхности основаны на плотной упаковке миниатюрных матриц датчиков, электродов и межсоединений для повышения разрешающей способности измерения ( 18 — 22 ).Этот требовательный к точности подход несовместим с трехмерной печатью на месте из-за неопределенностей во время печати. В качестве альтернативы датчик электроимпедансной томографии (EIT) имеет простую геометрическую конструкцию без ущерба для пространственного разрешения зондирования ( 23 ). Растягиваемые датчики EIT на основе углеродно-эластомерных композитов в качестве проводящих чувствительных материалов были ранее разработаны для обеспечения разнонаправленного картирования деформаций ( 24 ). Тем не менее, модуль Юнга этого композита на порядок больше, чем у ткани легкого ( 25 ).

В качестве альтернативы ионные гидрогели обладают высокой прозрачностью и растяжимостью, сохраняя при этом проводимость с высокой скоростью отклика ( 26 ). Хотя полоски ионного гидрогеля использовались в качестве датчиков линейной деформации ( 27 ), датчики EIT на основе гидрогеля для непрерывного картирования деформации еще предстоит продемонстрировать. Мы включили ионный гидрогель с технологией EIT, чтобы использовать носимые датчики, напечатанные на 3D-принтере, для пространственно-временного картирования 2D объемной деформации (2D-VS). По сравнению с предыдущей работой с плотно упакованными дискретными сенсорными модулями или подходами EIT с несоответствующими материалами, наш подход к проектированию позволяет ранее не обнаруженную конструкцию тензодатчика с рядом преимуществ, включая (i) простоту геометрии датчика, (ii) желаемое разрешение измерения и (iii) идеальная механическая податливость мягких тканей.Чтобы продемонстрировать замкнутую систему 3D-печати для отслеживания деформации цели в реальном времени, датчик деформации EIT на основе гидрогеля был непосредственно 3D-напечатан на дыхательном легком для мониторинга деформаций на месте.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Трехмерное отслеживание поверхности в реальном времени

Ранее мы продемонстрировали отслеживание в реальном времени движений твердого тела целевой поверхности, включая в общей сложности 6 степеней свободы (DoF) для перемещения и вращения. Эта стратегия с обратной связью оказалась эффективной для печати непосредственно на движущихся объектах без деформации поверхности, например, на тыльной стороне руки человека ( 17 ).Однако это не применимо к динамически изменяющимся поверхностям, требующим более высокой степени свободы для выражения их геометрии. Здесь мы предлагаем процедуру печати, о которой ранее не сообщалось, для изготовления датчика деформации EIT на деформируемом легком путем интеграции системы визуального восприятия с 3D-принтером для отслеживания изменяющейся во времени 3D-геометрии.

Система стереокамер может использоваться для восстановления изменяющейся во времени трехмерной геометрии целевой поверхности в реальном времени. Однако прямое применение существующих алгоритмов стерео реконструкции не будет соответствовать желаемым спецификациям для замкнутой трехмерной печати на месте, которые являются (i) точностью миллиметрового или субмиллиметрового уровня, чтобы минимизировать результирующие ошибки, которые могут вызвать столкновение дозирующего сопла с ткань и ухудшить качество печати или повредить ткань, (ii) малый диапазон чувствительности (~ 0.1 м) на основе ограниченного рабочего пространства печати, и (iii) высокая скорость реконструкции (> 5 Гц), которая на порядок выше, чем частота дыхания взрослого человека в состоянии покоя (~ 12-20 вдохов / мин), чтобы минимизировать отслеживание ошибки. Стерео реконструкция включает в себя исчерпывающее сопоставление патчей по строке поиска в изображении, что приводит к задержке вычислений. Обратите внимание, что скорость восстановления, которую мы определяем здесь, предназначена не только для восстановления геометрии каждой отдельной формы, но также должна обеспечивать информацию о соответствии между временными рядами форм, чтобы представить, как форма развивается (например,ж., пространственное смещение характерных точек при деформации).

Вместо использования стереокамер для непосредственного восстановления плотной геометрии, мы использовали двухфазную процедуру: (i) Сначала мы изучили параметрическую модель геометрии поверхности с низкой размерностью из предварительно отсканированного набора данных в автономном режиме, чтобы уменьшить вычислительную сложность для последующий онлайн-процесс; (ii) мы затем восстановили конформную геометрию траектории инструмента в режиме онлайн, оценив параметры в автономно-изученной модели с использованием разреженного набора реперных маркеров, измеренных стереокамерой в реальном времени.

Для автономного обучения мы использовали 3D-сканер структурированного света с субмиллиметровой точностью и разрешением. С помощью 3D-сканера было получено несколько высококачественных 3D-сканирований деформированного легкого с реперными маркерами (рис. 1A). На основе 3D-сканирования мы построили обучающий набор данных облаков точек с точечным соответствием между выборками данных и использовали алгоритм машинного обучения для изучения базовой модели линейной формы ( 28 — 33 ) деформации поверхности.Для онлайн-отслеживания система стереокамер, состоящая из пары синхронизированных камер машинного зрения с высокой частотой дискретизации (максимум 149 Гц) и регулируемыми фокусами (~ 0,1 м), отслеживала реперные маркеры в 3D (рис. 1B). Расположение маркеров позволило полностью восстановить деформацию формы на основе изученной модели деформации. Эта реконструкция использовалась в качестве входных данных для оценки конформной траектории инструмента для адаптивной печати на дышащем легком в реальном времени (рис. 1C). Напечатанный датчик деформации EIT соответствовал деформации легкого и мог обеспечивать пространственно-временное картирование деформации легкого in situ (рис.1D).

Рис. 1. Процесс 3D-печати датчика EIT на легком.

Схематические изображения ( A ) трехмерного сканирования поверхности легких, ( B ) отслеживания дыхательного легкого в реальном времени, ( C ) адаптивной печати гидрогелевых чернил на дыхательном легком и ( D) ) мониторинг деформации легких на месте с помощью датчика EIT.

Здесь мы применили систему реперных маркеров для повышения надежности и точности отслеживания поверхностей без текстуры или поверхностей с редкими элементами и зеркальным отражением, типичных для влажных анатомических поверхностей.Отслеживание таких деформируемых поверхностей в реальном времени с помощью безмаркерной системы остается открытой областью исследований в области компьютерного зрения и медицинской визуализации ( 34 , 35 ). Для будущего усовершенствования нашей системы трехмерного отслеживания поверхности можно использовать подходы плотного отслеживания на основе данных, основанные на глубоком обучении ( 36 ) и параллельных вычислениях ( 37 ), чтобы обеспечить отслеживание без маркеров.

Автономное обучение формы

При автономном обучении формы трехмерное смещение траектории печати, вызванное деформацией целевой поверхности, моделировалось относительно движения реперных маркеров.Это позволило динамически регулировать форму траектории инструмента на основе местоположений маркеров, отслеживаемых стереокамерами во время онлайн-отслеживания. Деформируемая траектория инструмента была представлена ​​с использованием 12 реперных маркеров и 3968 путевых точек траектории в 3D. В частности, местоположения маркеров были извлечены из облака точек путем обнаружения 2D-маркеров в отсканированном изображении текстуры и последующего указания их соответствующих 3D-положений в облаке точек. Путевые точки на конформной траектории были вычислены путем проецирования плоского дизайна траектории для модели датчика на каждое 3D-сканированное облако точек поверхности легких (рис.2А). Перед проецированием плоской траектории инструмента для получения соответствия путевых точек среди всех сканирований мы выполнили коррекцию формы плоской траектории инструмента (рис. S1, от A до E), чтобы спроецированная траектория могла отражать физическое увеличение размера датчика. при расширении поверхности и усадке в размере датчика при сжатии поверхности (Приложение 1). Расстояние между соседними путевыми точками на плоском шаблоне траектории (с общей длиной 2010 мм) было установлено равным 0,5 мм, чтобы воспроизвести детальную форму деформируемой поверхности с высокой точностью после проецирования.Этот подход для формирования набора данных для обучения деформации с точечным соответствием эффективно уменьшает размер исходных необработанных данных облака точек с 3D-сканера (с количеством 3D-точек в каждом сканировании в масштабе 10 ⁵ ) до более низкоразмерных. формат, состоящий только из местоположений маркеров и трехмерных путевых точек на траектории печати (3980 трехмерных точек в каждой выборке обучающих данных).

Рис. 2 Замкнутый AI для оценки деформации.

( A ) Вычисление конформных траекторий на основе 3D-сканирования.( B ) Формируйте базисные векторы с четырьмя наибольшими собственными значениями в анализе PCA. Каждый SBV представлен трехмерным векторным полем (цветом, обозначенным величиной) смещения путевой точки, происходящим от базовой формы (серым цветом). Плотность путевых точек подвергается понижающей дискретизации в 11 раз. Значения максимальных величин нормируются на квадратный корень из соответствующего собственного значения для количественного сравнения в однородной шкале. Визуализированные векторные поля масштабируются, чтобы соответствовать каждому подзаголовку.( C ) Ошибки позиционирования (в форме норм) между 3D-сканами и предполагаемыми формами, реконструированными на основе двух, четырех и шести SBV и 3, 6 и 12 маркеров. ( D ) Снимок изображения с камеры слежения, который показывает обнаружение в реальном времени круговых маркеров (синие квадраты как окна динамического поиска, зеленые контуры как окружности круговых маркеров и зеленые точки как центры обнаруженных кружки), расчетную позу легких (оси X , Y и Z синего, зеленого и красного цветов соответственно) и путевые точки (синие точки) вдоль конформной траектории, по которым должен следовать кончик сопло.Фото: Z.Z., Университет Миннесоты. ( E ) Временной ряд четырех подобранных параметров деформации, собранных из дыхательного легкого.

На основе данных формы, состоящих из семи облаков точек расположения маркеров и прогнозируемых путевых точек траектории инструмента, мы вычислили базовую модель линейной формы с использованием анализа главных компонентов (PCA) (Приложение 2). На выходе этого PCA были шесть базисных векторов ортонормированной формы (SBV), которые охватывали пространство поля деформации, и шесть соответствующих собственных значений, отсортированных в порядке убывания (рис.S1F и рис. 2B).

Мы изучили влияние использования различного количества SBV и маркеров в модели деформации на точность восстановления формы и обнаружили, что выбор SBV с четырьмя наибольшими собственными значениями и всеми 12 маркерами для восстановления формы привело к существенному снижению ошибки оценки. по сравнению с приближением твердого тела (рис. 2C и рис. S1G). Включение всех шести SBV в модель деформации может дополнительно уменьшить ошибку оценки обучающих данных.Однако полученная точность нереальна для платформ 3D-печати. Это может вызвать проблемы переобучения из-за учета шумных мод деформации с меньшими собственными значениями. Обратите внимание, что изучаемая здесь ошибка оценки формы является только одним источником ошибки печати. К другим источникам ошибок относятся временные задержки, вызванные выборкой данных, вычислением и обменом данными на следующем этапе онлайн-отслеживания (таблица S1).

Отслеживание формы в режиме онлайн

Две камеры машинного зрения (FLIR Systems) были установлены на экструзионной головке для измерения в реальном времени.Сначала была проведена ручная калибровка глаза, чтобы указать преобразование между системой координат камеры и 3D-принтера. Во время отслеживания в реальном времени круглые маркеры на поверхности легких были обнаружены в каждой паре синхронизированных изображений с системы с двумя камерами и использованы для вычисления трехмерных координат маркеров с помощью стереотриангуляции (рис. 2D и фильм S1). На основе расположения маркеров и модели деформации с четырьмя SBV четыре соответствующих параметра деформации были подогнаны в реальном времени с использованием регрессии наименьших квадратов.Временные ряды параметров могут отражать квазициклические паттерны деформации легких во время дыхания (рис. 2E) и использовались для оценки изменяющейся во времени конформной траектории инструмента, которая была адаптирована к целевой динамике, как комбинация движения твердого тела (приблизительно из шаблона базовой формы) и деформации формы (фильмы S2 и S3). Хотя были обстоятельства, когда не все 12 маркеров были обнаружены обеими камерами из-за перекрытия или исключения из поля зрения камеры, избыточность в общем количестве маркеров гарантировала надежное и точное отслеживание с использованием не менее восьми обнаруживаемых маркеров.После того, как адаптивная траектория была преобразована в систему координат 3D-принтера на основе результатов ручной калибровки, экструзионное сопло следовало заданным пользователем профилям скорости печати и пересчитанным путевым точкам на основе интерполяции временного ряда на каждом текущем временном шаге. Команды адаптивной печати для трехмерной печати модели датчика EIT были обновлены с частотой обновления примерно от 15 до 29 Гц.

Обратите внимание, что эта оценка деформации была необходима для достижения желаемого качества печати с допуском ошибок ± 0.8 мм (объединяя ошибки из-за временной задержки и моделирования формы), которая была указана на основе вязкости краски и внутреннего диаметра экструзионного сопла (0,61 мм). Включение оценки деформации снизило среднюю ошибку моделирования формы с 0,3 мм (без оценки деформации) до менее 0,02 мм (рис. 2C). Это уменьшение погрешности позволило общей погрешности находиться в пределах допуска ± 0,8 мм при большой ошибке задержки времени ~ 0,6 мм, вычисленной на основе задержки времени ~ 60 мс и скорости точки ~ 10 мм / с, вызванной деформация легкого ( 15 ).

Ионные гидрогелевые чернила

Сочетание отличной растяжимости, прозрачности и проводимости делает ионные гидрогели идеальными кандидатами для измерения больших деформаций с помощью EIT. В отличие от непрозрачных композитов наполнитель-матрица, таких как эластомеры, внедренные в углерод, которые демонстрируют нелинейные, необратимые отклики проводимости при кратковременном возбуждении ( 38 ), проводимость ионных гидрогелей, как было показано, не зависит от растяжения ( 39 ). В результате проводимость материала можно считать постоянной, так что изменение сопротивления материала при деформации определяется исключительно геометрическим фактором ( 26 ).Этот чувствительный механизм обеспечивает простую и надежную вычислительную модель для повторяемого и стабильного считывания деформации, не требуя сложных алгоритмов для компенсации нелинейностей в проводимости материала ( 38 ).

В нашей конструкции гидрогелевых чернил мы использовали хлорид лития (LiCl) для ионной проводимости из-за его гигроскопичности, которая предотвращает обезвоживание ( 40 ). Растяжимый и отверждаемый ультрафиолетом (УФ) полимер, полиакриламид (ПАМ), был выбран в качестве матрицы в ионном гидрогеле.Соотношение в смеси мономера, полимера и сшивающего агента в предшественнике гидрогеля было оптимизировано для достижения желаемой пригодности для печати и эластичности в процессе 3D-печати. В окончательной разработке чернил наблюдалось истончение сдвига при снижении вязкости выше скорости сдвига 0,1 с ^-1 (рис. S2, A и B). Эта более низкая вязкость обеспечивает плавную экструзию краски из печатного сопла под пневматическим давлением. Кроме того, снижение модуля упругости ( G ′) и модуля потерь ( G ″) сверх напряжения сдвига текучести (~ 60 Па) улучшило управляемость экструзии чернил (рис.S2C). G ′ и G ″ остаются постоянными на уровне прибл. 67 и 49 Па соответственно, когда напряжение сдвига ниже предела текучести, что способствует сохранению формы печатной структуры.

После сшивания с использованием УФ-света гидрогелевые чернила продемонстрировали тканеподобную растяжимость согласно результатам испытаний на одноосное растяжение (рис. S3, от A до D). Это было дополнительно подтверждено динамическими механическими характеристиками в частотном диапазоне дыхания взрослого человека в состоянии покоя (от ~ 12 до 20 вдохов / мин), с модулем накопления ( E ′) и модулем потерь ( E ″) гидрогеля на поверхности. того же порядка, что и в легочной ткани (рис.S3, E и F). Согласование модулей сохраняется и на более высоких частотах до 2 Гц (рис. S3, G и H), тем самым расширяя условия работы этого датчика на основе гидрогеля до более широкого диапазона частот дыхания, например, для пациентов с острым респираторным дистресс-синдромом. ( 41 ).

Деформируемый датчик EIT

Датчик EIT состоит из непрерывного тонкого слоя гидрогеля в качестве чувствительного слоя и нескольких медных электродов на границах (рис. 3A). Основной проблемой для определения деформации является поддержание стабильных границ раздела гидрогель-электрод при больших деформациях, вызванных расширением и сокращением легких.Здесь мы решили эту проблему, заключив медные электроды в мягкое силиконовое кольцо (Ecoflex 00-30, Smooth-On Inc.), которое могло образовывать химические связи с гидрогелем (рис. S4). В частности, силиконовая поверхность была активирована путем нанесения бензофенонового фотоинициатора (BP), который генерировал радикальные центры, которые могут реагировать с акриламидом в гидрогеле при воздействии УФ-света. Хотя силиконовый эластомер жестче, чем гидрогелевый материал (рис. S3, от D до H), возникающие в результате ограничения на растяжимость датчика и механическую податливость были ограничены из-за гибкости его кольцевой геометрии с высоким соотношением сторон (~ 1- толщиной мм, внутренним диаметром 33 мм и внешним диаметром 38 мм).

Рис. 3 Конструкция и характеристики деформируемого датчика EIT.

( A ) Схематическое изображение многослойной конструкции датчика EIT на основе гидрогеля, со вставкой, показывающей в увеличенном масштабе образование границы раздела силикон-гидрогель при обработке BP под воздействием УФ-излучения. ( B ) Схематическое изображение периферийной рабочей схемы для системы EIT с восемью электродами. MUX, мультиплексирование; DC, постоянный ток. ( C ) Фотография датчика EIT с маркерами для подтверждения деформации.Прямоугольная область, заключенная в черную пунктирную линию, демонстрирует ROI для характеристики ошибки. Фото: Z.Z., Университет Миннесоты. ( D ) Ошибка оценки как функция 2D-VS для всех точек данных, собранных из шести состояний деформации. Точки данных визуализируются в виде облаков точек с разными цветами, соответствующими различным состояниям деформации. Цветные точки с черными границами, а также горизонтальные и вертикальные полосы ошибок показывают средние значения и SD для каждого состояния деформации ( n = 1843).( E ) Среднее измерение напряжения на всех парах электродов как функция времени, с цветными точками с черными границами, показывающими шесть состояний деформации, соответствующих облакам точек на (D). ( F ) 3D-сканирование поверхности на датчике EIT, подвергающегося деформации со средним значением 2D-VS 20,4%, а также соответствующая оценка EIT, достоверность данных по 3D-сканированию и ошибка оценки EIT распределения 2D-VS в пределах ROI (слева направо).

Периферийная рабочая схема датчика EIT состояла из микроконтроллера (Teensy 3.6) для управления измерениями и сбора данных, генератор сигналов (Rigol DG1022) и источник тока с регулируемым напряжением (VCCS) в качестве источника питания, предварительный усилитель АЦП для фильтрации шума и мультиплексоры ввода / вывода для переключения электродов для источника тока. и измерения напряжения (рис. 3B и рис. S5). Пространственное распределение проводимости листа в слое гидрогеля было отображено путем последовательных четырехточечных измерений импеданса с различными парами электродов для подвода тока и измерения напряжения.Ионные гидрогели использовали в качестве электролитов для ионной проводимости ( 26 ). При приложении потенциала напряжения на границе раздела электрод / гидрогель-электролит на границе между электродом и гидрогелем ( 26 ) образовывался двойной электрический слой, который эквивалентен конденсатору, включенному последовательно с проводящим чувствительным слоем. Таким образом, был применен источник переменного тока (AC) с низкой амплитудой (менее 1 мА), чтобы избежать электрохимической реакции и устранить влияние импеданса конденсатора ( 26 , 27 ).Подобные методы измерения электрического импеданса с источниками переменного тока использовались для ионной проводимости в жидких и твердых электролитах ( 42 ). Поскольку проводимость проводящего слоя (~ 20 См / м) была более чем на один порядок выше, чем у ткани легкого ( 43 ), утечка тока в ткань была незначительной при приложении малых уровней тока и оказывала незначительное влияние. о поведении органов и результатах измерений.

Распределение проводимости листа в чувствительном слое было вычислено путем решения обратной задачи модели конечных элементов на основе измерений импеданса от электродов ( 44 ).Размер треугольной сетки в модели конечных элементов составляет примерно 1,4 мм по длине стороны, что обеспечивает пространственное разрешение, сопоставимое с имеющимся в литературе разрешением реконструкции формы легких на основе компьютерной томографии (КТ) ( 45 , 46 ). ). Затем была оценена карта деформации на основе корреляции между проводимостью листа и 2D-VS, которая была смоделирована как σt − σ0σ0 = (1 + εA) −1−1

Здесь σ ₀ и σ _t — локальная проводимость листа бесконечно малой области до и после деформации.ε _A — это 2D-VS, определяемый ε _A = ( A _t — A ₀ ) / A ₀ , с A ₀ и A _t , обозначающие площади поверхности бесконечно малой области до и после деформации, соответственно. Поскольку коэффициент Пуассона гидрогелей на основе ПАМ близок к 0,5 ( 47 ), проводящий слой был аппроксимирован как несжимаемый материал в этой оценочной модели (Приложение 3).

Чтобы проверить эту модель с конфигурацией EIT из восьми электродов и круглой чувствительной области, мы сравнили результаты картирования деформации EIT с достоверными данными на специально построенном испытательном стенде. Стенд для испытаний состоял из резиновой мембраны с прикрепленным к ней мягким датчиком EIT и пневматической системы, которая контролировала расширение и сжатие мембраны (рис. S6, от A до C). Для одной полной оценки карты деформации было выполнено сорок измерений от соседних пар электродов (рис.S6D), который обновлялся с частотой 2,5 Гц в реальном времени (фильм S4). Распределение достоверности на земле 2D-VS было получено путем отслеживания движений маркеров, прикрепленных к поверхности датчика EIT, с помощью 3D-сканера (рис. 3C). Чтобы охарактеризовать ошибки картирования деформации при различных уровнях деформации поверхности, мы записали пространственно-временные отклики датчиков, а также соответствующие наземные данные 2D-VS в диапазоне от -3,54 до 41,6% в шести выбранных формах (рис. 3, D и E). Этот диапазон 2D-VS находится в той же шкале, что и диапазон деформации легких, полученный у людей ( 48 ).Ошибка оценки была вычислена путем вычитания оценки EIT из наземной истинной карты деформации в каждой выбранной форме (фиг. 3F и фиг. S7). Согласно результатам характеризации, средняя ошибка оценки не зависела от уровня деформации с максимальной средней ошибкой 5,25%. Относительная ошибка оценки деформации, вычисленной на основе определения в ( 46 ), составила 6,72% при наибольшем протестированном среднем 2D-VS (33,55%). Это сопоставимо с результатами при аналогичных уровнях деформации в подходах к реконструкции на основе КТ с использованием метода конечных элементов и метода B-сплайна ( 46 ).Этот подход к зондированию на основе EIT обеспечивает альтернативный метод прямого локализованного измерения деформации легких и может дополнять неинвазивные подходы, такие как компьютерная томография, в медицинских приложениях. Точность оценки EIT может быть дополнительно улучшена за счет (i) оптимизации точности печати для минимизации геометрического несоответствия между изготовленным датчиком и вычислительной моделью EIT, (ii) увеличения количества электродов для большего числа измерений напряжения, чтобы уменьшить ошибку вычислений для обратного решение некорректно поставленной проблемы EIT и (iii) повышение устойчивости систем измерения тока и напряжения для компенсации шумов и помех во время фазы обработки сигнала.

Мониторинг деформации на месте

Мы продемонстрировали возможности трехмерной печати на месте системы трехмерной печати на базе искусственного интеллекта, непосредственно изготовив датчик деформации EIT на легком свиньи (BioQuest), претерпевающем деформацию, вызванную дыханием. Во-первых, временные маркеры отслеживания с черными круговыми точками на белом фоне были прикреплены к поверхности легких с помощью биосовместимых клеев (Skin Tite, Smooth-On), чтобы служить надежными функциями для отслеживания на основе компьютерного зрения. Чтобы моделировать деформацию легкого свиньи in vitro, трахею подключали к выходу цифрового пневматического регулятора (Nordson EFD), который был запрограммирован компьютером на управляемую подачу воздуха в альвеолы.Каждый уровень подаваемого давления приводил к состоянию дыхания и соответствующей деформации формы легкого. Геометрия поверхности при каждом состоянии деформации затем измерялась сканером структурированного света (HDI 109, LMI Technologies), чтобы сформировать набор данных для алгоритма машинного обучения для изучения модели деформации (рис. 4A).

Рис. 4 3D-печать на легком свиньи для мониторинга деформации на месте и 3D-печать на деформируемом фантомном лице.

( A ) 3D-сканирование легких свиньи с помощью 3D-сканера структурированного света.Фото: Z.Z., Университет Миннесоты. ( B ) Фотография портальной системы для 3D-печати, изготовленной по индивидуальному заказу. Фото: Z.Z., Университет Миннесоты. ( C ) Фотография трехмерной печати гидрогелевых чернил in situ на легком свиньи. Фото: Z.Z., Университет Миннесоты. ( D ) Фотография круглого слоя гидрогеля, напечатанного на 3D-принтере. Фото: Z.Z., Университет Миннесоты. ( E ) Отверждение УФ-светом слоя гидрогеля с силиконовым кольцом и встроенными электродами.Фото: Z.Z., Университет Миннесоты. ( F ) Фотография аппаратной установки для мониторинга деформации легких на месте с помощью напечатанного датчика EIT. Фото: Z.Z., Университет Миннесоты. ( G ) Результаты пространственно-временного картирования 2D-VS в пределах ROI на легком свиньи, подвергающемся циклическому сокращению. ( H ) Проекция траектории инструмента (синим цветом) на 3D-сканировании базовой формы (вверху) и проекция траектории инструмента с (синим цветом) и без (красным) коррекцией формы на 3D-сканировании деформированного форма фантомного лица (нижняя).Три контрольные оси (отмечены зеленым цветом) использовались для оценки степени расширения поверхности для коррекции формы. ( I ) Фотография распечатанных на 3D-принтере брови, глаз, носа и рта на фантомном лице разноцветными силиконовыми чернилами. Фото: Z.Z., Университет Миннесоты.

Платформа для печати по индивидуальному заказу состояла из портальной системы для 3D-печати с точностью управления движением на уровне микрометра (AGS1000, AeroTech), системы экструзии материала, управляемой пневматическим регулятором, двух камер машинного зрения (FLIR Systems), установленных на экструзионном элементе. голова для отслеживания на основе зрения и система освещения, помогающая системе камеры для оптимального качества изображения (рис.4Б). Во время печати легкое подвергалось непрерывной деформации с частотой дыхания около 12 вдохов / мин, которая контролировалась циклическим давлением, вводимым от пневматического регулятора (рис. 4C и фильм S5). Обратите внимание, что эта предварительная информация о срабатывании дыхания не использовалась для алгоритма отслеживания в реальном времени. Адаптивная 3D-печать датчика деформации EIT была основана только на потоках изображений в реальном времени с камер слежения и изученной модели деформации, в результате чего на легком образовался круговой слой гидрогеля (рис.4D) со средней погрешностью печати 0,657 мм (рис. S8A). Электроды, встроенные в силиконовое кольцо, затем прикрепляли к печатному слою и подвергали воздействию УФ-света (модель OmniCure S1500; длина волны от 320 до 500 нм) для сшивания гидрогеля (рис. 4E). Стабильная граница раздела гидрогель-электрод также была достигнута за счет образования силикон-гидрогелевых связей во время отверждения УФ-светом. Интерфейс был протестирован на устойчивость к значительным механическим нагрузкам (фильм S6).

Для демонстрации мониторинга деформации на месте с помощью датчика EIT, напечатанного на 3D-принтере, электроды были подключены к источникам питания и настольному компьютеру через периферийные схемы для обработки сигналов (рис.4F). Пространственное отображение 2D-VS оценивалось и отображалось в реальном времени (фильм S7), который фиксировал циклическое сокращение интересующей области (ROI) (рис. 4G). Датчик EIT мог прилипать к поверхности легких при повторяющейся деформации. После того, как функции датчика были выполнены, слой гидрогеля и маркеры слежения вместе с биосовместимыми клеями можно было удалить с помощью пинцета, не оставляя заметных следов (рис. S8, B — D).

Мультиматериальная печать на фантомном лице

Чтобы продемонстрировать возможность печати нескольких материалов на деформируемой целевой поверхности, имеющей сложную геометрию, состоящую из выпуклых и вогнутых элементов, цветные силиконовые чернила были напечатаны на деформируемом фантоме, состоящем из силиконовой пленки с отливкой. геометрия лица.Двенадцать маркеров отслеживания были распределены на фантомном лице для визуального отслеживания до того, как было выполнено 3D-сканирование для выборки восьми деформированных форм фантомного лица. Затем плоские траектории для бровей, глаз, носа и рта проецировались на 3D-сканирование, чтобы сформировать обучающий набор данных (рис. 4H). Из-за более высокой сложности деформационного поведения фантомного лица из-за неравномерного распределения толщины (следовательно, жесткости) на мембране, все SBV из анализа PCA использовались для реконструкции формы в реальном времени, чтобы уловить как можно больше режимов деформации. насколько возможно.Силиконовые чернила (Ecoflex 00-30, Smooth-On), окрашенные четырьмя типами цветных пигментов (Silc Pig, Smooth-On), были непосредственно напечатаны на фантомном лице, подвергающемся расширению и сжатию, управляемому пневматической системой (фильм S8). Результирующая средняя ошибка отслеживания составила 0,841 мм при SD 0,350 мм, что демонстрирует возможность пространственного управления замкнутой системой 3D-печати для многоматериальной печати нерегулярных узоров сложной формы (рис. 4I). Более низкая точность печати по сравнению с печатью на легком свиньи была следствием более высокой ошибки аппроксимации во время восстановления сложной геометрии с ограниченным размером обучающего набора данных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Дизайн гидрогелевых чернил

Окончательный вариант гидрогелевых чернил для аддитивного производства тензодатчиков EIT состоял из 7,9 мас.% (Мас.%) Акриламида в качестве мономера и 3,16 мас.% ПАМ (молекулярная масса = 5 000 000) как модификатор реологии, 21,48 мас.% LiCl, 0,13 мас.% N , N ‘ -метиленбисакриламид в качестве сшивающего агента, 0,08 мас.% 2-гидрокси-2-метилпропиофенона в качестве фотоинициатора и 37,6 мас.% этиленгликоля вместе с 29,64 мас.% Сверхчистой воды в качестве растворителей.

Подготовка материала датчика EIT

Ионные гидрогелевые чернила были приготовлены путем растворения LiCl и мономера акриламида (Sigma-Aldrich) в деионизированной воде с последующим добавлением этиленгликоля (Fisher Chemical). После образования гомогенного раствора путем тщательного перемешивания к раствору добавляли ПАМ (Sigma-Aldrich) и затем перемешивали на магнитной мешалке в течение ночи при 60 ° C и 1200 об / мин. Наконец, к раствору добавляли N , N ‘ -метиленбисакриламид (Sigma-Aldrich) и 2-гидрокси-2-метилпропиофенон (Sigma-Aldrich) и перемешивали на магнитной мешалке в течение 2 часов.После загрузки в шприц для 3D-печати краска вспенивалась в планетарном центробежном смесителе (Thinky ARM-310) при 2200 об / мин.

Силиконовый эластомер получали смешиванием частей А и В Ecoflex 00-30 (Smooth-On) в соотношении 1: 1, а затем отливали между двумя пластиковыми чашками Петри с 1-миллиметровой прокладкой посередине. Поверхность каждой чашки Петри была покрыта разделительным агентом (Smooth-On) перед отливкой. После отверждения при комнатной температуре в течение 4 часов силиконовая пленка была вырезана в форме кольца с помощью лазерного резака (Universal Laser Systems).

Механические и реологические характеристики

Реологические характеристики гидрогелевых чернил (несшитых) проводили с использованием ротационного реометра TA Instruments DHR-3 с конусом (40 мм, 2 °) и геометрией пластины. Вискозиметрические испытания проводились при скоростях сдвига от 10 ⁻¹ до 10 ² с ⁻¹ , а колебательные реометрические испытания проводились при частоте 1 Гц и колебательных напряжениях от 10 ⁻¹ до 10 ³ Pa.

Испытания на одноосное растяжение были выполнены на образцах ткани легких свиньи, образцах гидрогеля, напечатанных на 3D-принтере, и образцах литого силикона с использованием реометра объемного диметиламина (DMA) TA Instruments RSA-G2.Образцы ткани были разрезаны на прямоугольные формы и протестированы в течение 12 часов после взятия легочной ткани у животного. Перед тестированием образцы тканей хранили в физиологическом растворе в холодильнике. Статические кривые «напряжение-деформация» были получены для каждого материала при скорости деформации 0,1 мм / с. Испытания на колебательное растяжение с разверткой деформации проводились при деформациях от 1 до 5% и частотах 0,2 и 0,3 Гц. Испытания на колебательное растяжение с качанием частоты проводились на частотах от 0.От 2 до 2 Гц и при деформациях 2 и 5%.

Конфигурация системы EIT

Переключение электродов для подвода тока и измерения напряжения контролировалось с помощью мультиплексоров CD74HC4067. Переменный ток с частотой 20 кГц и амплитудой 0,8 мА подавался на датчик EIT с помощью токового насоса Howland, состоящего из усилителя LT6375 и генератора сигналов RIGOL DG1022. Измерения напряжения от пар электродов усиливались в 74 раза с помощью усилителя INA 128.Чтобы ослабить окружающие электромагнитные помехи, такие как балласты люминесцентных ламп (например, 50 кГц) и шум линии электропередач (например, 60 Гц), усиленный сигнал фильтровался фильтром нижних частот с частотой среза 31,2 кГц, за которым следовали высокие частоты. фильтр с частотой среза 4,8 кГц. Отфильтрованный сигнал в конечном итоге был смещен на 1,65 В (INA 111AP) и усилен в пять раз (INA 128) перед подачей на входной порт 12-разрядного АЦП (аналого-цифрового преобразователя) микроконтроллера.

Микроконтроллер был запрограммирован на получение 40 измерений напряжения (соседние схемы стимуляции и измерения в восьмиэлектродной конфигурации) для каждого обновления оценки EIT.Для каждого измерения напряжения модуль АЦП собирал 100 отсчетов сигнала напряжения на частоте 400 кГц (охватывающих приблизительно пять периодов сигнала переменного тока 20 кГц) для среднеквадратичной оценки амплитуды напряжения с последующим периодом ожидания. 10 мс перед настройкой для следующего измерения напряжения.

Мы разработали программное обеспечение для оценки деформации на основе инструментария EIDORS в MATLAB. В частности, для восстановления распределения проводимости была принята одношаговая обратная модель Гаусса-Ньютона с априорным методом NOSER.Гиперпараметр и фоновое значение для обратной модели устанавливали на основе измеренной проводимости гидрогеля (выведенной из предыдущих данных EIT недеформированного датчика гидрогеля).

Определение характеристик тензодатчика EIT

Испытательный стенд для определения характеристик датчика EIT состоит из жесткого каркаса (напечатанного на 3D-принтере с полимолочной кислотой), слоя резиновой мембраны (McMaster-Carr) с границей, прикрепленной к корпусу, а также баллон под резиновой мембраной и подключен к цифровому пневматическому регулятору (Nordson EFD).Датчик EIT из гидрогеля был прикреплен к резиновой мембране с помощью силиконового клея (Loctite). Пятьдесят шесть бумажных маркеров черного цвета были прикреплены к верхней поверхности датчика EIT. Мы использовали 3D-сканер для регистрации трехмерных положений центров маркеров, которые были настроены как узлы в вычислительной модели для построения треугольной поверхностной сетки на датчике EIT. Базовая двумерная объемная деформация в каждом элементе треугольной сетки была аппроксимирована путем вычисления коэффициента расширения площади треугольной области.

Прямая запись на легком свиньи

Гидрогелевые чернила были напечатаны на легком свиньи со скоростью печати 6 мм / с, давлением экструзии 200 кПа, экструзионным соплом с внутренним диаметром 0,61 мм и 1- мм зазор между экструзионным соплом и поверхностью легких. Максимальная скорость перемещения 3D-принтера была установлена ​​на уровне 500 мм / с для каждой движущейся оси. Цифровой пневматический регулятор, который контролировал деформацию легких, был настроен на вывод давления 24 кПа в виде прямоугольной импульсной волны с шириной импульса 80% и частотой 0.2 Гц. Программное обеспечение центрального управления для отслеживания деформации в реальном времени и адаптивной 3D-печати было запрограммировано на C ++ и запускалось на настольном компьютере с процессором Intel Xeon E5 с тактовой частотой 3,5 ГГц и 16 ГБ ОЗУ.

Прямая запись на фантомном лице

Испытательный стенд для деформируемого фантомного лица состоит из жесткого каркаса (3D-печать с использованием полимолочной кислоты), литой модели фантомного лица из силикона с закрепленной на рамке границы, а также воздушного шара под резиновой мембраной и подключен к цифровому пневматическому регулятору (Nordson EFD).Литой силиконовый материал получали добавлением 3 мас.% Белых пигментов (Silc Pig, Smooth-On) к смеси частей A и B Ecoflex 00-30 (Smooth-On) в соотношении 1: 1. Литую конструкцию отверждали при комнатной температуре в течение 4 часов перед извлечением из формы.

Цветные силиконовые чернила были приготовлены путем смешивания частей А и В Ecoflex 00-30 (Smooth-On) в соотношении 1: 1, а затем добавления 3 мас.% Загустителя (THI-VEX, Smooth-On). и 3 мас.% синего, красного, зеленого и желтого пигментов (Silc Pig, Smooth-On) для формирования разноцветных силиконовых чернил для 3D-печати.Чернила тщательно перемешивали в планетарном центробежном смесителе (Thinky ARM-310) перед загрузкой в ​​печатный шприц. Отпечатанные элементы на фантомном лице были отверждены при комнатной температуре в течение 4 часов.

Благодарности: Мы благодарим W. Upchurch из лаборатории Visible Heart Lab (VHL) Университета Миннесоты (UMN) за помощь в получении ткани легких свиньи, а также D. Giles за помощь с механическими и реологическими характеристиками, проведенными в UMN Polymer. Объект характеризации. Финансирование: Исследование, описанное в этой публикации, было поддержано Medtronic plc (для разработки сенсоров) и Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии NIH под номером гранта DP2EB020537. Авторы несут полную ответственность за содержание, которое не обязательно отражает официальную точку зрения Medtronic plc или NIH. Z.Z. выражает признательность за поддержку со стороны аспирантуры Университета Миннесоты (докторская диссертация на 2019–2020 гг.). Автор: Z.З. и М.С.М. задумал исследование. Z.Z. спроектировал и провел эксперименты и проанализировал экспериментальные результаты. Все авторы составили и рецензировали рукопись. Конкурирующие интересы: Z.Z. и M.C.M. являются изобретателями находящейся на рассмотрении заявки на патент США, связанной с этой работой, поданной Университетом Миннесоты («Аддитивное производство на неограниченных поверхностях произвольной формы», заявка на патент США 16/460,194) M.C.M. входит в редколлегию журнала Science Advances . Авторы заявляют, что у них нет других конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные подтверждающие данные доступны в хранилище данных Университета Миннесоты (https://doi.org/10.13020/vqfp-vq57) и от авторов по запросу.

3D-печать реплик тканей человека

С первой демонстрацией печати живых клеток на основе микроэкструзии в 2003 году трехмерная (3D) биопечать вышла на передний план в развитии промышленных тканей человека.Эта технология специально нацелена на создание копий тканей человека с использованием «биочувствительных элементов», которые представляют собой смеси человеческих клеток, гидрогелей, факторов роста и внеклеточных матриц (ЕСМ). Затем биочернила могут быть «напечатаны» для точного размещения человеческих клеток с помощью биопринтера, который может иметь различные механизмы печати, такие как пьезоэлектрическая печать, печать с использованием микросоленоидного клапана, микроэкструзия и лазерная печать.

Традиционные двумерные (2D) культуры клеток не обладают способностью имитировать клеточные микроструктуры и микросреды, необходимые для функционирования клеток, которые напоминают нормальные ткани.Современные подходы к 3D-биопечати продемонстрировали, что 3D-печатные ткани могут использоваться в качестве моделей заболеваний для прогнозного скрининга лекарств. Интерес к человеческим тканям, напечатанным на 3D-принтере, резко вырос, размер мирового рынка оценивается в 295 миллионов долларов в 2016 году, а к 2021 году ожидается их рост до 1,8 миллиарда долларов. Эти значения основаны на применении 3D-печатных тканей. которые включают моделирование заболеваний тканей, токсикологические испытания, тканевую инженерию и пересадку кожи.

Например, опухолевые клетки, извлеченные из образцов биопсии, можно распечатать и созреть в лаборатории, чтобы создать реплики опухоли для конкретного пациента, которые затем можно использовать для скрининга комбинаций терапевтических препаратов для создания индивидуализированных методов лечения рака.Несмотря на то, что по-прежнему существует ряд технических проблем, у технологии 3D-биопечати есть светлое будущее.

Потребность в тканях с биопечатью в открытии лекарств

Поскольку открытие новых соединений, которые могут иметь вредные или терапевтические свойства, продолжает расти, необходимы исследовательские модели для надлежащего изучения эффектов этих соединений. Модели на животных представляют собой золотой стандарт для биологических испытаний; однако эти модели малопроизводительны и сталкиваются со все более серьезными этическими проблемами.Разработка искусственных тканей позволяет ученым тестировать большое количество образцов без недостатков, связанных с тестированием на животных. Чтобы использовать произведенные ткани в исследовательских целях, сконструированная ткань должна вести себя биологически нормально до того, как будет протестирована с соединениями или другими условиями.

Традиционные методы тестирования соединений с использованием образцов клеток человека в доклинических исследованиях ограничиваются использованием двумерных (2D) культур клеток. Поскольку клетки в этих культурах лежат совершенно плоско на поверхности в виде монослоя, им не хватает микроструктур тканей и микроокружения, необходимых для функционирования клеток.Исследования конструкций искусственных тканей показали, что микроокружение, в котором клетки растут, так же важно, как и сами клетки. Это привело к развитию трехмерных (3D) культур клеток, цель которых — обеспечить правильную среду, позволяющую клеткам внутри них имитировать их поведение in vivo. Однако современные методы трехмерной клеточной культуры также сталкиваются с множеством проблем. В этих методах используется…

• Плиты с низким сцеплением
• Подвесные откидные тарелки
• Микрожидкостные чипы

В частности, микрожидкостные чипы имеют микроканалы и камеры, в которых их ячейки располагаются друг над другом, что позволяет им взаимодействовать в трех измерениях.Предпосылка этих трехмерных клеточных культур основана на использовании геометрии среды или сосуда, в котором находятся клетки. Это позволяет клеткам взаимодействовать друг с другом в трех измерениях, обеспечивая среду, более похожую на in vivo. Однако главный недостаток этих методов заключается в том, что они относительно низкопроизводительны, и им все еще трудно имитировать условия in vivo.

3D-биопечать призвана заполнить пробелы, обнаруженные в 2D- и 3D-культурах клеток. Этот процесс помещает клетки в более естественную трехмерную среду, с которой предыдущие системы трехмерных культур клеток сталкивались с трудностями.Это делается путем распределения биочернил в виде жидкости, но им можно управлять с помощью некоторой внешней силы (например, ультрафиолетового света, изменения температуры и т. Д.), Которая превращает их в полутвердый гель из-за свойств материала гидрогеля. Затем новый слой может быть напечатан поверх вновь сформированного слоя геля, что приведет к трехмерной ткани, созданной послойным методом. Затем этим клеточным слоям дают возможность расти, дифференцироваться и индуцировать межклеточные взаимодействия с образованием тканеподобных структур или подвергать их воздействию соединений для тестирования и обработки для анализа или визуализации.

Процесс 3D-биопечати

A. Bioinks

Хотя процесс 3D-биопечати довольно прост, различное количество доступных биочерок, биопринтеров, протоколов культивирования / созревания и окрашивания клеток, а также устройств визуализации клеток затрудняет выбор того, какой конкретный компонент лучше всего подходит для конкретной потребности. Изучая каждый конкретный компонент, это позволяет лучше понять, как можно лучше всего использовать 3D-биопечать. Начиная с биочернил, их жидкие свойства до отверждения являются основным преимуществом, которое ставит 3D-биопечать над другими методами.Будучи решением, это позволяет ученому контролировать количество печатаемых клеток и других добавок, включая факторы роста и внеклеточные матрицы (ЕСМ). Затем гидрогели в этих биочувствительных элементах излечиваются за счет использования их способности собираться в структуры, которые приостанавливают клетки и сфероиды в трехмерном пространстве, что называется полимеризацией. Полимеризация может варьироваться в зависимости от гидрогелей, наиболее распространенными из которых являются фотополимеризация, ионная полимеризация и полимеризация в зависимости от температуры.В зависимости от того, какой процесс выбран, необходимы отверждающие добавки (также известные как сшивающие агенты), но они могут быть потенциально токсичными для клеток внутри биочувствительных элементов. Эту проблему можно решить, используя более щадящие процессы полимеризации, но это обычно приводит к более длительному времени полимеризации или более слабым структурам геля. Следовательно, жертвенные и поддерживающие биочувствительные элементы можно использовать для обеспечения временной или постоянной поддержки, пока гидрогель полностью не затвердеет.

B. Отбор клеток человека

Выбор человеческих клеток в 3D-биопринтинге имеет решающее значение для пролиферации и функционирования клеток, в конечном итоге для воспроизводства человеческих тканей in vivo.Например, опухолевые ткани включают несколько типов злокачественных и окружающих клеток с разными биологическими функциями. Помимо типов раковых клеток, большинство опухолевых тканей содержат нормальные окружающие типы клеток, которые обеспечивают поддерживающие, структурные или барьерные функции, участвуют в васкуляризации или обеспечивают нишу для поддержания и дифференцировки раковых стволовых клеток. Понимание опухолеспецифического клеточного состава и локализации компонентов внеклеточного матрикса в интересующей опухолевой ткани необходимо для лучшего конструирования опухолевых тканей со специфическими физиологическими функциями.Эти белки ЕСМ обеспечивают силу и функции заполнения пространства, связывают факторы роста, регулируют белковые комплексы и способствуют клеточной адгезии и пролиферации в передаче клеточных сигналов. Как правило, тканевые структуры создаются путем печати человеческих клеток и компонентов ECM ткани, обнаруженной in vivo (также известной как биомимикрия), или распределения стволовых клеток для репликации желаемой архитектуры и функций биологической микроткани путем дифференциации стволовых клеток на несколько клеточных линий, таким образом воспроизводя компоненты ECM с использованием соответствующей передачи сигналов ячеек (a.к.а., автономная самосборка).

C. Методы сотовой печати

После подготовки биочернилы раствор можно затем «напечатать» для точного размещения человеческих клеток с помощью биопринтера, который может иметь различные механизмы печати, такие как пьезоэлектрическая печать, печать на основе микросоленоидного клапана, микроэкструзия и лазерная печать ( рис.1 ). Эти методы представляют три основные технологии, используемые для 3D-печати: струйная / капельная, экструзия и лазер.Струйный / капельный подход фокусируется на использовании метода, который создает колебания давления для образования капель биочернил. Эти капли затем точно слой за слоем размещаются на субстрате для создания ткани. Однако он ограничивается использованием биочернил, которые не являются очень вязкими. В технологии экструзии используется пневматический или механический дозатор определенного типа для высвобождения потока биочернилы на субстрат. Этот подход не ограничивается вязкими биочувствительными элементами, но клетки в этих биочувствительных элементах действительно подвергаются большему стрессу.Наконец, лазерный подход направляет лазерный луч на предметное стекло, покрытое слоем, поглощающим лазер, и слоем клеток и биологических материалов. Лазер возбуждает эти слои, выбрасывая капли, содержащие клетки. Этот подход не имеет ограничений по сравнению с двумя другими методами, но большие ткани трудно создать из-за ширины лазера, и металлические остатки могут загрязнить образец.

1. Фотографии биопринтера на основе микросоленоидов и дозирующей головки с шестью микросоленоидными клапанами для выдачи биологических образцов.

D. Методы клеточного анализа

Наконец, после создания реплик тканей человека они могут подвергаться воздействию тестируемых соединений, окрашиваться флуоресцентными красителями и анализироваться для измерения множества клеточных процессов, включая жизнеспособность / цитотоксичность клеток, дифференцировку клеток, экспрессию ECM, изменения ядерной функции, апоптоз. / некроз, потенциал митохондриальной мембраны, окислительный стресс, уровни внутриклеточного кальция, уровни глутатиона и т.д.2 ). Этот метод мгновенно замораживает ткани с биопечатью, чтобы сохранить их естественную структуру, которая затем разрезается на тонкие слои и окрашивается для визуализации структуры внутри тканей. Криосекционирование требуется, поскольку современные процессы визуализации плохо подходят для изучения биопечати тканей, поскольку они слишком толстые для визуализации и покрыты окружающими клетками. Главный недостаток этих методов связан с присущей им низкой пропускной способностью. Таким образом, визуализация тканей in situ срочно необходима для лучшего понимания биологических изменений во время созревания клеток и после воздействия соединения.

2. Фотографии автоматизированного флуоресцентного микроскопа с четырьмя фильтрующими каналами и детектором на основе ПЗС для получения изображений с высокой пропускной способностью.

Контроль качества тканей с биопечатью

Перед использованием данных, полученных с биопечати тканей, важно проверить, являются ли эти данные надежными и хорошо ли коррелируют с тканями, существующими в организме. Основная цель любой клеточной культуры — иметь возможность воспроизводить структуру ткани in vivo и превращаться в функциональную ткань.Например, печень является основным детоксификатором в организме, поскольку она вырабатывает многочисленные ферменты, метаболизирующие лекарства, которые расщепляют лекарства и другие вредные соединения. Такие лекарства, как ацетаминофен (активный ингредиент тайленола), часто имеют побочные эффекты, поскольку ферменты печени превращают их в токсичные метаболиты. Традиционные двумерные культуры клеток печени испытывают трудности с обнаружением этих реактивных видов, потому что ферменты имеют низкую экспрессию или клетки печени, полученные от отдельных доноров, страдают от высокой вариабельности от партии к партии.Ткани печени с биопечатью и другие 3D-культивируемые клетки печени способны поддерживать высокие уровни ферментов, метаболизирующих лекарства, и вести себя более in vivo, что позволяет лучше прогнозировать побочные реакции на лекарства в печени.

Клиническое применение тканей с биопечатью

Помимо приложений для скрининга непатентованных лекарств, у 3D-биопечати есть блестящее будущее для удовлетворения клинических потребностей, так как он может создавать ткань, которая будет точно имитировать биологию пациента, что позволяет проводить курсы лечения от наркозависимости, специально предназначенные для них.Когда новые лекарственные препараты-кандидаты тестируются на этапах доклинической оценки, клетки, протестированные в этих исследованиях, стандартизируются для всей фармацевтической промышленности. Однако клетки пациента могут вести себя иначе при воздействии этих лекарств, особенно если пациенту требуется коктейль из лекарств для лечения болезни. Здесь технология трехмерной биопечати может использоваться для создания образцов ткани из небольшого количества клеток, взятых у пациента. Например, опухолевые клетки, извлеченные из образцов биопсии, можно распечатать и созреть в лаборатории для создания реплик опухоли для конкретного пациента, которые затем можно использовать для скрининга комбинаций терапевтических препаратов для создания индивидуализированных методов лечения рака.При чрезвычайно низком уровне успеха генной терапии рака подход 3D-биопечати может быть хорошей альтернативой.

Предполагаемый размер рынка тканей с биопечатью

По мере того, как технология начинает развиваться, интерес к трехмерной биопечати продолжает расти. Это очевидно, поскольку, согласно исследованию BCC, размер ее глобального рынка оценивается в 1,8 миллиарда долларов к 2021 году с 295 миллионов долларов в 2016 году. Этот взрыв рыночной стоимости связан с клиническими приложениями, которые станут доступны к 2021 году.Помимо онкологии, сердечно-сосудистая, ортопедическая и пластическая хирургия значительно выиграют от 3D-биопечати, поскольку ее способность печатать трансплантаты тканей обеспечивает большие медицинские преимущества по сравнению с традиционными методами. Хотя рынок прикладных программ и исследований не достигнет той же оценки, что и клиническая отрасль, ожидается, что в следующие пять лет он увеличится более чем вдвое.

Текущие технические проблемы 3D-биопечати

Любая новая технология требует преодоления технических ошибок.Одной из основных проблем, с которыми сталкивается область 3D-биопечати, является отсутствие ангиогенеза в этих тканях. Человеческое тело способно восстанавливать и поддерживать свои органы с помощью обширной системы кровеносных сосудов, которые помогают доставлять питательные вещества и уносить отходы. Однако современные методы 3D-биопечати не могут печатать кровеносные сосуды в этих конструкциях; следовательно, ткани должны использовать диффузию в качестве основного источника обмена. Это препятствие ограничивает биопечать ткани относительно небольшими объемами (

Миниатюрная 3D-биопечать

Это только усугубляется, поскольку эти платформы также плохо подходят для обеспечения высокопроизводительного скрининга.Эти проблемы предоставляют возможность для разработки новых технологий. На изображениях ниже представлены новейшие 384-луночные планшеты для миниатюрной трехмерной биопечати, которые можно разместить в стандартном 384-луночном планшете (, рис. 3, ).

3. (Верхнее изображение) Схема 384-столбовой пластины с боковыми стенками и прорезями (384PillarPlate) для биопечати культур тканей. (Нижнее изображение) Фотографии отлитой под давлением пластины 384PillarPlate, загруженной на биопринтер для послойной печати и культивирования клеток.

Зазоры, расположенные в верхней части стойки, обеспечивают область, в которой можно печатать биочерку. Стенки, окружающие промежутки, помогают удерживать биочерку в жидкой форме до полимеризации и имеют промежутки между ними, чтобы обеспечить диффузию питательных веществ, когда изготовленные ткани погружены в раствор среды, необходимый для роста или дифференцировки клеток. Эту систему также можно использовать без дорогостоящего 3D биопринтера, поскольку было показано, что она способна создавать ткани, просто погружая эти столбики в биочерку и полимеризуя оставшуюся биочерку в зазорах на вершинах столбов.3D-культуры клеток, созданные на этой платформе, также могут подвергаться высокопроизводительному скринингу благодаря их способности работать в паре со стандартными 384-луночными планшетами, что позволяет решить многие проблемы, связанные с существующими платформами для трехмерных культур клеток. Хотя технология еще не доведена до совершенства, она дает большие надежды на создание миниатюрных человеческих тканей и продвижение этой области в целом.

Безусловно, 3D-биопечать все еще находится на относительно низком уровне, но ее влияние на исследования и клиническое применение имеет первостепенное значение.Он уже показал себя более точным и репрезентативным для культур тканей in vivo и нацелен на то, чтобы соответствовать современным методам скрининга с высокой пропускной способностью.