Як програмування тривимірних об’єктів на трансформацію з часом змінить і врятує життя
На останніх сторінках жовтневого випуску New Scientist за 1974 рік читачі побачили цей інтригуючий початок абзацу в щотижневій колонці «Аріадна»: «Цього тижня мій полімотичний друг Дедал продовжує свої міркування про нове виготовлення пластмас». Тільки в цьому реченні є кілька ознак того, що те, що відбувається, є науковою фантастикою. «Полімоптика» — це не справжнє слово. Дедал — вигаданий вчений, засновник так само вигаданої та морально корумпованої компанії DREADCO. У решті абзацу цей вигаданий персонаж стає першою людиною, яка запропонувала те, що стане відомим як 3D-друк через ціле десятиліття.
«Під запрограмованим числовим керуванням промені могли відтворювати будь-яку кількість ідентичних об’єктів після оптимізації конструкції – безшумне, одноетапне, нескінченно гнучке масове виробництво!» продовжує хімік Девід Джонс, людина, що стоїть за Daedalus і DREADCO, у першому розумінні того, чого можна досягти, якщо ми зможемо друкувати об’єкти, а не просто слова. Хоча 3D-друк не був його найбожевільнішим експериментом , він, мабуть, найкорисніший. І це буде революцією.
Тепер ми можемо друкувати все, від автомобілів до сімейних будинків , реалізуючи бачення Дедала про нескінченно гнучке виробництво. Але чого навіть він не міг передбачити, так це того, що 3D-друк тепер не зарезервований для твердого пластику. Матеріалохіміки продовжують розвивати цю техніку, наближаючи нас до світу, де все, що ми можемо створити на комп’ютері, ми можемо надрукувати в лабораторії. Навіть якщо це «будь-що» м’яке, м’яке та змінює форму.
Стає м’яким
Концепція 3D-друку напрочуд проста. Одним із основних способів зробити це є видавлювання матеріалу, як правило, якогось пластику, який схоплюється, як клей, через насадку на візерунок. «Ми друкуємо шар, а потім друкуємо інший шар зверху, а потім друкуємо ще один шар поверх нього – це дає нам тривимірну структуру», — пояснює Аннела Седдон, хімік з матеріалів Брістольського університету . Використовуючи правильний матеріал, вчені можуть вибрати властивості кінцевого об’єкта.
«Плавлений пластик… поводиться досить добре, і ним легко керувати», — каже Аннела. Але що, якщо ви хочете надрукувати щось, що зроблено не з пластику? Все більше вчених зосереджено на друкуванні об’єктів, схожих на біологічні тканини. Ця техніка називається біодрук. Для цього їм потрібен новий набір матеріалів для друку. «Матеріали, які є м’якими та надм’якими», — каже Аннела. «Ви можете собі уявити, що вони можуть мати застосування всередині тіла».
Такі матеріали часто мають природне походження: желатин, целюлоза та альгінат, який отримують з морських водоростей. Однак м’які матеріали доставляють більше клопоту, ніж пластик. «Кожного разу, коли ви розробляєте новий м’який матеріал для друку, вам потрібно провести серію тестів, щоб переконатися, що його можна надрукувати», — каже Аннела. «Матеріал має бути здатний видавлюватися через сопло для друку, але він також не повинен бути рідким, щоб не витік».
З додаванням живих клітин ці м’які матеріали стають біочорнилом . Це дозволяє вченим надрукувати щось схоже на біологічну тканину. «Те, що з’являється в першому випадку, — це щось на зразок желе з ізольованими клітинами», — пояснює Брайан Дербі з Інституту Генрі Ройса, Британського національного інституту перспективних досліджень матеріалів та інновацій при Університеті Манчестера. Клітини починають викачувати білки в желе, роблячи його схожим на позаклітинний матрикс, який є слизом, у якому клітини сидять у звичайній тканині. «Ви отримуєте те, що люди називають прототканиною, яка може вижити сама по собі».
Кінцева мета — надрукувати органи — тестувати ліки без використання тварин і боротися з довгими списками очікування на донорство органів. Але, каже Браян, ми ще не близькі до фінішу. «Шкіра — це орган, але я не думаю, що хтось має надруковану шкіру, у якій є волосяні фолікули та потові залози». Але є кілька цікавих кроків вперед, наприклад, не б’ється міні-серце 2019 року . Проте, за оцінками, знадобиться ще принаймні кілька десятиліть , перш ніж ми зможемо надрукувати повністю функціональні органи, такі як печінка та нирки, і трансплантувати їх тваринам.
3D в 4D
Вставляти щось у організм, що росте, може бути неприємно. Надруковані на 3D-принтері тканини та органи майбутнього повинні мати можливість адаптуватися до тіла після трансплантації, як і інші біодруковані об’єкти, які не містять клітин, як-от протези чи медичні імплантати. Цю зміну треба якось спланувати. Рішення можна знайти в так званому 4D-друку.
«Те, що вчені зробили, — це створили щось, що має здатність змінюватися з часом», — каже Аннела. Там, де зазвичай усе, що ви надрукували, залишатиметься на місці, надруковані на 4D матеріали залишатимуться й чекатимуть, доки зміниться тригер. «Матеріал фіксується в одному стані, поки на нього не вдарить певний подразник, і він реагує на подразник зміною». Це може бути певна температура, бризки води, лазерне світло або невеликий удар електричним струмом. Або це може бути просто певний проміжок часу. Після натискання на курок об’єкт почне змінюватися.
Виявляється, ця здатність стосується не стільки того, з чого зроблений ваш об’єкт, а більше того, як він зроблений. «Подумайте про людину: у вас є шкіра, у вас є кістки, у вас є волосся, у вас є органи», — каже Аннела. «Якщо ви подивитеся на елементи, з яких вони складаються, то їх кількість досить мала: вуглець, водень, азот, кисень. Еластичні властивості таких речей, як шкіра, залежать від структури, а не від окремих будівельних блоків». Найпростіший спосіб уявити це, пояснює Аннела, подумавши про соснову шишку, виготовлену з целюлози. «Усі целюлозні волокна в сосновій шишці розташовані в одному напрямку, — каже вона, — тому, коли соснова шишка вбирає воду, целюлозні волокна набухають, і оскільки вони вирівняні в одному напрямку, соснова шишка відкривається. А потім, коли вони зневоднюються, соснова шишка закривається».
Це означає, що якщо вчені можуть контролювати вирівнювання свого 3D-матеріалу та стимулювати його, вони можуть контролювати, у якому напрямку їхній об’єкт буде змінювати форму. Іншими словами, різниця між сосновою шишкою та об’єктами, надрукованими на 4D-принтері, виготовленими в лабораторії, полягає в тому, що зміна не відбувається просто так, вона ретельно спланована вченими. Через це надруковані на 4D-принтері матеріали часто називають «програмованими», що є ключовою особливістю, якщо ми хочемо передбачити результат використання надрукованих на 4D-принтерах імплантатів в організмі.
Повністю трубчастий
Програмований 4D-друк вже змінює життя. Одна річ, яку лікарі нескінченно намагаються виправити в людському організмі, - це погана сантехніка. Наше тіло наповнене трубами: трахеєю і бронхами, кровоносними судинами, стравоходом, сечоводом, нашим кишечником. Труби всюди, і вони часто забиваються. Іноді вони просто слабкі і руйнуються. У всіх випадках проходження рідини або повітря через ці трубки має вирішальне значення для здоров’я пацієнта, і без втручання ситуація може стати ще гіршою. Стандартною зброєю проти цього є трохи тонші штучні трубки, які можна вставити всередину будь-якої трубки, що потребує фіксації, і дозволити повітрю чи рідині безперешкодно текти. Такі трубки, які називаються стентами, може бути дуже важко виготовити добре, особливо якщо трубка маленька і її важко дістати, і вони часто включають численні операції з високим ризиком, щоб їх встановити та витягнути.
4D-друк тепер дав нам альтернативу: шину. Якщо ви коли-небудь ламали кістку, ви будете знати, що шина — це жорстка опора, до якої прив’язана кістка, що допомагає зберегти її форму під час загоєння. Використовуючи крихітну шину, надруковану на 4D-принтері, лікарі можуть допомогти з проблемами здоров'я в набагато меншому масштабі. Скажімо, ви дитина, яка народилася зі слабкими дихальними трубками, робота яких полягає в тому, щоб спрямовувати повітря від дихальних трубок до легень, у вас може бути ризик їх згортання, тобто ви не зможете дихати. Цей жахливий стан, який називається трахеобронхомаляція, часто призводить до передчасної смерті. Американський малюк Кайба Гіонфріддо народився з трахеобронхомаляцією в 2012 році, і він був приречений. Однак команда лікарів і вчених з Мічиганського університету надрукувала йому унікальну шину , щоб пройти через його слабку трубку, пришивши її на місце так, щоб вона тримала трубку відкритою.
Шина розроблена таким чином, щоб змінювати форму, коли хлопчик росте, дозволяючи його трахеї стати міцною та стабільною самостійно. Потім вона розпадеться та розчинеться у його організмі, залишаючи йому нормальні дихальні шляхи. Ще кільком немовлятам зробили таку саму операцію, і всі вони тепер живуть здоровим дитячим життям.
За нашого життя
Майбутнє 3D-друку в медичному світі виглядає яскравим. Навіть якщо м’які матеріали складніші за пластик, і ми ще не перейшли від прототканин до повноцінних органів, гонка до фінішної прямої почалася. «Заміна органів — це в нашому житті», — впевнено сказав Ерік Гатенхольм, засновник компанії біодруку Cellink, The Guardian у 2017 році. Незалежно від того, правий він чи ні, прогрес у більш простих системах, таких як шкіра чи хрящ, здається неминучим, як і колись розширений набір інструментів імплантатів. Вони, як і 4D шина для трахеї Kaiba, допомагатимуть тілам пацієнтів самостійно виправлятися. Залишається лише дізнатися, що буде далі і чиє життя це врятує.
Немає коментарів:
Дописати коментар