Характеристика и обоснование проекта организации производства трехмерных биопритерив органов в ООО НПКФ «Медиком МТД»

Комплексная характеристика трехмерных биопритеров органов

С целью проведения комплексной характеристики нововведения рассмотрим более подробно инновационный продукт для компании ООО НПКФ «Медиком МТД» по некоторым показателям, характеризующим нововведения.

Вид нововведения Компании Organovo и Invitech, базирующиеся в Сан-Диего, разработавшим трехмерный принтер для печати органов. Устройство компактно и состоит из двух печатающими головок: первая распыляет гель, образуя форму органа, вторая заполняет эту форму клетками, выращеннымы на основе оригинальных. Печень, почки и даже зубы могут быть воссозданы с точностью до микрона, что позволяет не ждать донора и исключает возможность отторжения органа. Хотя в отношении каких-либо гарантий все еще царит неопределенность.

• 3D-печать является одной из форм технологии аддитивного производства, где трехмерный объект создается путем наложения последовательных слоев материала. 3D-принтеры, как правило, быстрее, более доступные и простые в использовании, чем другие технологии аддитивного производства. 3D принтеры предлагают разработчикам продуктов возможность печати деталей и механизмов из нескольких материалов и с различными механическими и физическими свойствами за один процесс сборки.
• 3D печать часто называют «магической» технологии. Вы разрабатываете что-то в CAD, запускаете на печать, и через несколько минут появляется полностью сформирован объект. В реальности 3D процесс печати требует много ручного труда. Огромное количество предварительной подготовки и последующей обработки необходима для качества напечатанной детали.

Трехмерный биопринтеры органов, построенный из обычного бытового принтера, содержит донорские клетки и специальный медицинский гель, растворенные в картриджах на подобие чернил. Через три часа струйной печати («представьте, что готовите слоеный торт») ученый с гордостью держали в руках готовый к использованию материал — образцы живой человеческой кожи. Уже сделан первый опыт печати цельных органов. На принтере было напечатано и успешно вживлен сердце мыши. Процесс печати Занимает несколько часов.

Уже сегодня на этом принтере можно печатать кусочки кожи для трансплантации при ожогах. Это может решить проблему огромных очередей на трансплантации органов (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1 Искусственная кожа, созданная на основе акульих хрящей, бычьего коллагена и донорских клеток

Такой метод облегчает процесс приживления транспланированных органов, так как они напечатаны из стволовых клеток самого человека. Это значительно перспективнее, чем искусственные органы из модифицированных тканей свиней, которые предложены учеными из Китая.

Эксперименты на животных дали многообещающие результаты. Особенно хороши «печатные» хрящи. Учёные сделали конструкцию хряща довольно простой и жёсткой, чтобы он мог выдержать все перипетии процесса.

Между тем Джеймс Ю из Университета Уэйк-Фореста (США) сообщает об успехах ещё одного подхода: его команда пользуется сканером, который определяет глубину и степень повреждений кожи, информируя биопринтер о том, сколько слоёв клеток следует изготовить. Представьте себе, к примеру, портативный биопринтер, которым оснащён военный медик: устройство сканирует рану прямо на поле боя, берёт несколько клеток на анализ и затем «печатает» кусок кожи, совместимой с организмом солдата.

Оба исследования находятся на ранних стадиях.

Главная проблема — как связать новые слои ткани с уже существующими, в частности с кровеносной системой. Сегодня донорская печень стоит сотни тысяч долларов, наши собственные клетки достаются нам бесплатно. Станет доступно и незамедлительно лечение пострадавших во время автомобильной аварии или на поле боя. Пока учёные работают над преодолением нескольких трудных задач: донорские клетки, пригодные для пересадки ещё нужно где-то взять в нужном количестве; совместить готовый биологический продукт с телом пациента задача не тривиальная — необходимо обеспечить связь с нервной и кровеносной системой.

Технология работы трехмерных биопринтеры органов Трехмерное моделирование давно стало неотъемлемой частью создания сложных архитектурных и технологических объектов. После разработки 3D модели в электронном виде следует обязательное ее воплощение в твердой копии, что ранее требовало длительного времени и труда нескольких специалистов. На сегодняшний день появилась практическая возможность ускорить этот процесс — с помощью технологий быстрого прототипирования (Rapid Prototyping).

Вместо более точного термина Rapid Prototyping (RP) зачастую предпочитают употреблять понятие «трехмерная печать» (3D-printing, 3DP). Что такое 3D ПРИНТЕР. Традиционно словом «принтер» мы называем устройство, выводящее на бумагу некоторую информацию. Бумага — это всегда плоскость (если не сгибать или сворачивать) и информация, которая отображается на ней, — двумерная. Поэтому традиционные принтеры можно называть «2D принтерами» .

Трехмерный или 3D принтер — это устройство вывода трехмерных данных (как правило, объемной геометрии). То есть результатом его работы является некоторый физический объект.

Существует несколько технологий объемной (трехмерной, 3D) печати, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (многие любят слово — выращивания) твердой геометрии.

Основным преимуществом трехмерной печати перед традиционными способами создания макетов является скорость. Для сравнения: изготовление модели с применением станков может занять несколько недель или даже месяцев, что приводит к повышению затрат на разработку изделия и существенному увеличению сроков выпуска новой продукции.

Этих недостатков практически лишены системы быстрого прототипирования, поскольку с их помощью готовую модель можно получить за несколько дней, часов или минут — в зависимости от ее сложности.

Для чего нужна технология прототипирования и какие сферы ее применения. Первое, и основное, в промышленности — в основном для быстрого изготовления прототипов — чтобы посмотреть, как модель будет выглядеть в материале.

Кроме того, на готовой модели можно проводить различные тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия. Более того, прототипы позволяют проводить некоторые виды тестов, которые на готовой модели проводить не рекомендуется.

Еще один пример, разработки Университета Миссури, позволяющие с помощью струйного принтера выводить на печать своеобразные заготовки биологических органов. Как чернил при этом используются сгустки клеток заданного типа. Вместо «бумаги» выступает специальный био-гель, который фиксирует положение клеточных сгустков в пространстве. Печать производится в несколько слоев, в результате получается объемная конструкция из клеток, которая, в принципе, может имитировать любой орган (после вырастания клеток гель растворяется, так что возможно получение полых структур). Конечно, печать полноценного органа для пересадки пока представляется слишком сложной задачей, но работа идет.

Рис. 2.2 Процесс ткани из клеток с помощью трехмерного биопринтера органов

Для печати в 3D необходима предварительная объемная модель предмета, которую можно сделать в системе автоматизированного проектирования (CAD) или программе для создания трехмерной графики. После отправки документа в печать от человека больше не нужно дополнительного вмешательства, а всю дальнейшую работу выполняет специальное ПО, управляющего принтером.

Сам аппарат помещается внутрь стандартного бокса для стерильной работы. Он имеет две печатающих головки, одна из которых предназначена для нанесения клеток, а вторая — гидрогеля, каркаса или поддерживающего матрикса. До недавнего времени два момента существенно ограничивали возможности распечатывания достаточно протяженных тканевых структур из большого числа клеток. Во-первых, для этого требовалось доставлять строго определенные клетки в строго определенные локации. Во-вторых, их еще следовало объединить в единое целое и заставить работать. Однако, профессор Форгакс утверждает, что об обеих сложностях можно попросту забыть.

По мере того как структура ткани начинает формироваться, клетки сами проходят естественный процесс сортировки — в точности такой, какой происходит в естественных условиях. К примеру, артерия содержит три разных типа клеток — клетки эндотелия, клетки гладких мышц и фибробласты — и каждый из них должен располагаться в определенных частях сосуда. По мере того, как при печати тысячи клеток постепенно наносятся на подложку, они сами мигрируют в нужное место, чтобы сформировать подходящую структуру.

Одной из наиболее сложных задач, с которыми столкнулись разработчики биопринтера, было обеспечение достаточного маленького (с точностью до 1 мкм) шага между точками последовательных ударов капиллярного наконечника головки. Соблюдение этого условия необходимо для точного взаиморасположения клеток. Для решения этой задачи инженеры создали лазерную систему калибровки, работающую под контролем компьютера.

Первую партию биопринтеров Invetech планирует поставить Organovo уже в 2010;2011 гг. Organovo, в свою очередь, будет продавать эти системы для «печати» органов и тканей передовые исследовательские и медицинские институты всего мира.

Работа действия биопринтера органов следующая.

Сначала (см. рис. 2.3) специальное устройство нарезает заранее культивированную ткань (не являющуюся, однако, органом) или, точнее, плотную клеточную суспензию на микроскопические цилиндрики с соотношением диаметра и длины 1: 1 (a). Далее цилиндрики эти скругляют в питательной среде, формируя микросферы — «биочернила». Одна их капля показана на фото. Диаметр её составляет 500 микрометров. Оранжевый цвет ей придаёт специальный краситель, введённый в мембраны клеток (b).

Рис. 2.3 Работа действия биопринтера органов

Картридж © принтера содержит микропипетки, заполняемые такими микросферами одна за другой. Трёхмерный принтер (d) может по очереди выдавать эти шарики (учёные также называют их «сфероиды») с микронной точностью. Микропипетки и область работы печатающей головки исследователи могут наблюдать в реальном времени при помощи камер, встроенных в принтер (e).

Печатает прибор сразу тремя «цветами». Два из них — это сфероиды с целевыми клетками (в последних опытах Форгача это были клетки сердечной мышцы и эпителиальные клетки), а третий — скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор роста и ряд других веществ. Он нужен будущему органу, чтобы сохранить свою форму до того момента, когда целевые клетки срастутся между собой.

Важно, что печатается гель вместе с «запчастью», в виде последовательно наносимых двухмиллиметровых слоёв, в которые и оказываются погружены микросферы с клетками разного типа (f).

Трехмерный биопринтер снабжен программным обеспечением с интуитивным интерфейсом, позволяющим специалистам создавать модель тканевой конструкции до того, как принтер начнет создавать собственно физическую конструкцию с помощью автоматизированных, откалиброванных с помощью лазера печатающих головок.

Сейчас доступно большое количество конкурирующих технологий, позволяющих сделать 3D модель. Их основные отличия касаются этапа построения слоев при создании детали. Некоторые технологии используют плавления или размягчения материала для производства слоев (SLS, FDM), другие — редкие материалы, которые твердеют по различным технологиям.

Одним из первых программных продуктов компании, нашедших применение в медицине, является Mimics — программа, позволяющая превратить набор томографических снимков в трехмерную модель в STL-формате (этот формат 3-D принтер способен преобразовать в реальный объект). На этом этапе осуществляется сегментация, т. е. создание на каждом снимке маски, совпадающей своими контурами с интересующим хирурга участком тела. Затем набор масок пересчитывается программой в объемный «портрет» кости.

Ряд операций, таких, как установка имплантата челюсти или коленного сустава, уже не первый год подготавливают инженеры Materialise. Сотрудники компании имеют огромный опыт в этой сфере. Как правило, планирование хирургического вмешательства осуществляется инженерами в специально разработанных программах SurgiCase (в ортопедии) и SimPlant (в стоматологии).

Например, при работе с коленным суставом сотрудник обозначает на трехмерных STL-моделях костей точки и линии, соответствующие осям и направлениям вращения, сгиба и взаимного давления в суставе, подбирает имплантанты необходимого размера, следит за соблюдением всех условий, указанных хирургом. Согласно заданным точкам программа автоматически рассчитывает все параметры, влияющие на размещение имплантатов в колене, и, как результат, находит оптимальное расположение направителей для инструментов хирурга.

Президент Invetech Фред Дэвис (Fred Davis) отметил, что не так давно поклеточное воспроизведение человеческих органов казалось научной фантастикой. Однако сегодня уже создан инструмент, которой сделает такую регенеративную медицину доступной всему человечеству.

Характеристика процесса введения и распространения новшества, источников финансирования.

Планируется, после начала выпуска продукции распространить ее по всем уже имеющимся каналам дистрибуции, так как это один из видов медтехники, а также доставить продукцию на собственные склады компании ООО НПКФ «Медиком МТД» и покупателям в конкретний регион России. А также планируется провести активную политику продвижения нового оборудования: создание сайта, рекламы в Интернет и печатной продукции и др.

Источниками финансирования будут собственные средства компании с прибыли, займы у сторонних организаций и кредиты банков.

В таблице 2.1 представлен оперативный план по реализации стратегии проникновения на рынок медтехники для компании ООО НПКФ «Медиком МТД».

Поле того, как была проведена полна характеристика нововведения для компании ООО НПКФ «Медиком МТД», основной целью становится обоснование возможности реализации в данной исследуемой компании рассматриваемого нововведения — производства трехмерных биопринтеры органов.

Талица 2.1 Оперативный план реализации стратегии проникновения на рынок медтехники для компании ООО НПКФ «Медиком МТД».