Исследователи из Школы инженерии Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали первое в мире проглатываемое биопечатающее устройство. Разработка, получившая название Магнитная эндолюминальная система осаждения (MEDS), представляет собой капсулу размером с крупную таблетку, предназначенную для неинвазивного лечения повреждений в желудочно-кишечном тракте. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Science.
Технология разработана для решения проблемы лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, таких как воспалительное заболевание кишечника, язвенный колит, язвы и кровотечения. Только в 2019 году от подобных состояний в мире умерло 2,56 миллиона человек. Существующие методы лечения в основном направлены на купирование симптомов, а хирургическое вмешательство для восстановления тканей является высокоинвазивным, требует анестезии и несет высокий риск инфекций.
Управление капсулой MEDS осуществляется дистанционно. Внутри устройства находится небольшой магнит, который позволяет внешнему роботизированному манипулятору в операционной точно направлять принтер к целевому участку. Процесс печати не требует внутренней электроники или проводов, соединяющих устройство с внешним миром.
Для активации печатающего механизма хирург направляет на капсулу лазер ближнего инфракрасного (NIR) излучения с внешней стороны тела пациента. Излучение запускает внутренний пружинный механизм, схожий с принципом работы шариковой ручки. Пружина выталкивает биочернила из капсулы, нанося их непосредственно на поврежденную ткань.
В качестве «биочернил» используется материал, полученный из морских водорослей. Он выполняет три ключевые функции: служит каркасом для роста здоровых клеток и восстановления тканей, защищает раны от воздействия желудочного сока и может быть объединен с другими терапевтическими средствами для ускорения заживления.
После нанесения биочернил хирург может извлечь капсулу тем же пероральным путем, используя магнитную систему навигации. Сами исследователи определяют биопринтер как «по сути, контролируемый дозатор, который перемещается как минимум по двум осям для нанесения биоматериалов».
В ходе экспериментов на искусственных язвах в смоделированной ткани желудка и на модели кровотечения устройство продемонстрировало свою эффективность. Оно успешно нанесло чернила по контуру поврежденной ткани для максимального покрытия. В случае с кровотечением принтер выдавил герметик, который вызвал коагуляцию и эффективно остановил симулированное кровотечение.
Лабораторные тесты показали, что биочернила, насыщенные клетками, сохраняют свою структурную целостность более 16 дней. Они могут функционировать как «микро-биореактор», высвобождая факторы роста и привлекая новые клетки для активного содействия заживлению ран.
В будущем потенциал технологии может быть расширен для лечения других заболеваний, требующих инвазивной хирургии, включая применение в кровеносных сосудах. Для этого потребуется оснастить капсулу более сильными магнитами, чтобы увеличить дальность управления.
Прежде чем система MEDS станет общедоступным методом лечения, предстоит долгий путь, включающий проведение клинических исследований на людях. Тем не менее, руководитель Лаборатории передовых технологий производства Вивек Субраманиан и аспирант Санджай Манохаран уверены, что их работа закладывает ключевые инженерные принципы для будущих систем неинвазивной биопечати.
Технология разработана для решения проблемы лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, таких как воспалительное заболевание кишечника, язвенный колит, язвы и кровотечения. Только в 2019 году от подобных состояний в мире умерло 2,56 миллиона человек. Существующие методы лечения в основном направлены на купирование симптомов, а хирургическое вмешательство для восстановления тканей является высокоинвазивным, требует анестезии и несет высокий риск инфекций.
Управление капсулой MEDS осуществляется дистанционно. Внутри устройства находится небольшой магнит, который позволяет внешнему роботизированному манипулятору в операционной точно направлять принтер к целевому участку. Процесс печати не требует внутренней электроники или проводов, соединяющих устройство с внешним миром.
Для активации печатающего механизма хирург направляет на капсулу лазер ближнего инфракрасного (NIR) излучения с внешней стороны тела пациента. Излучение запускает внутренний пружинный механизм, схожий с принципом работы шариковой ручки. Пружина выталкивает биочернила из капсулы, нанося их непосредственно на поврежденную ткань.
В качестве «биочернил» используется материал, полученный из морских водорослей. Он выполняет три ключевые функции: служит каркасом для роста здоровых клеток и восстановления тканей, защищает раны от воздействия желудочного сока и может быть объединен с другими терапевтическими средствами для ускорения заживления.
После нанесения биочернил хирург может извлечь капсулу тем же пероральным путем, используя магнитную систему навигации. Сами исследователи определяют биопринтер как «по сути, контролируемый дозатор, который перемещается как минимум по двум осям для нанесения биоматериалов».
В ходе экспериментов на искусственных язвах в смоделированной ткани желудка и на модели кровотечения устройство продемонстрировало свою эффективность. Оно успешно нанесло чернила по контуру поврежденной ткани для максимального покрытия. В случае с кровотечением принтер выдавил герметик, который вызвал коагуляцию и эффективно остановил симулированное кровотечение.
Лабораторные тесты показали, что биочернила, насыщенные клетками, сохраняют свою структурную целостность более 16 дней. Они могут функционировать как «микро-биореактор», высвобождая факторы роста и привлекая новые клетки для активного содействия заживлению ран.
В будущем потенциал технологии может быть расширен для лечения других заболеваний, требующих инвазивной хирургии, включая применение в кровеносных сосудах. Для этого потребуется оснастить капсулу более сильными магнитами, чтобы увеличить дальность управления.
Прежде чем система MEDS станет общедоступным методом лечения, предстоит долгий путь, включающий проведение клинических исследований на людях. Тем не менее, руководитель Лаборатории передовых технологий производства Вивек Субраманиан и аспирант Санджай Манохаран уверены, что их работа закладывает ключевые инженерные принципы для будущих систем неинвазивной биопечати.
