В течение своей жизни некоторые люди могут частично или полностью утратить способность двигать конечностями из-за повреждения их хрящей, гибких соединительных тканей, смягчающих кости. Это может быть связано с дегенеративными заболеваниями, такими как остеоартрит, или физическими травмами.
Повреждение хряща может вызвать значительную боль и инвалидность, что отрицательно сказывается на качестве жизни пострадавших людей. Существующие хирургические процедуры, направленные на устранение этого повреждения или уменьшение его последствий, как правило, дают ограниченные результаты, при этом пациенты сообщают об очень незначительных преимуществах и отсутствии или незначительных отдаленных эффектах.
Таким образом, медицинские исследователи и инженеры пытались разработать альтернативные терапевтические вмешательства, направленные на более эффективное восстановление поврежденного хряща. В последние годы 3D-биопечать, которая использует передовые принтеры для создания трехмерных биохимических и биофизических систем, стала многообещающим решением для создания систем, способствующих регенерации тканей.
Исследователи из Манчестерского университета, Наньянского технологического университета и других университетов по всему миру недавно рассмотрели недавние работы, направленные на использование биопечати для инженерного восстановления хрящевой ткани. Их обзорная статья, опубликованная в Международном журнале экстремального производства, освещает как потенциальные преимущества, так и ограничения этого нового решения.
«3D-биопечать использовалась для создания биохимических и биофизических сред, целью которых является воссоздание естественной микросреды и стимулирование регенерации тканей», — пишут Яксин Ванг, Рубен Перейра и их коллеги в своей статье. «Однако традиционная биопечать in vitro имеет ограничения из-за проблем, связанных с изготовлением и имплантацией печатных конструкций и интеграцией с нативной хрящевой тканью».
Первоначально исследователи пытались использовать технологию 3D-биопечати для создания систем, которые впоследствии можно было бы имплантировать внутрь человеческого организма, воспроизводя функции биологических систем и способствуя регенерации поврежденного хряща. Эти подходы, известные как подходы in vitro, могут иметь существенные ограничения, поскольку созданные системы могут быть трудны для имплантации или могут плохо восприниматься организмом пациентов, плохо интегрируясь с их биологическим хрящом.
Некоторые команды недавно изучали потенциал альтернативного подхода, известного как биопечать in situ, который потенциально мог бы обойти эти проблемы. В своей обзорной статье Ванг, Перрейра и их коллеги обобщили существующие работы, оценивающие этот подход, в частности его реализацию с использованием роботизированных инструментов.
«Биопечать In situ — это новая стратегия прямой доставки биоинков в желаемый анатомический участок, которая потенциально может преодолеть основные недостатки, связанные с обычной биопечат-кой», — пишут исследователи. «В этом обзоре мы сосредоточимся на новых достижениях роботизированных хирургических систем для биопечати in situ для регенерации хряща».
Ванг, Перрейра и их коллеги изучают различные предлагаемые подходы к биопечати in situ с помощью роботов, некоторые из которых являются минимально инвазивными, а другие — неинвазивными. Поскольку открытые операции могут иметь значительные осложнения, эти подходы были бы особенно желательны, даже если они все еще находятся на очень ранних стадиях разработки.
Проанализировав предыдущие работы в этой области, они обнаружили, что использование жестких или полужестких печатных насадок может значительно увеличить сложность этих процедур, таким образом, гибкие роботизированные системы с высокими степенями свободы могут стать ценной альтернативой. Некоторые исследователи также пытались разработать подходы, основанные на цифровой технологии ближнего инфракрасного диапазона для печати структур, похожих на уши, непосредственно на теле пациента, хотя этот подход гораздо сложнее, если вообще возможно, реализовать внутри тела.
Другие предлагаемые in situ подходы к стимулированию регенерации хряща основаны на использовании крошечных роботов, которые могут проникать в организм, не повреждая его, и выполнять желаемые процедуры. Эти роботы могли бы, например, доставлять стволовые клетки или вещества в поврежденные участки внутри организма, но потенциально они также могли бы быть интегрированы с инструментами 3D-биопечати для прямой печати биологических систем в целевых областях.
Хотя все эти подходы могут быть многообещающими, необходимо будет преодолеть ряд проблем и провести множество испытаний, прежде чем их можно будет протестировать на людях и внедрить в клинических условиях. Недавняя статья Вана, Перрейры и его коллег предлагает широкий обзор стадии, на которой сегодня находятся эти многообещающие стратегии, а также выделяет области, в которых они могли бы быть доработаны в будущем.
