Начинающие хирурги вскоре могут обучаться на эластичной и реалистичной коже, напечатанной на 3D-принтере, которая при разрезании выделяет кровь и гной.
Новый материал для печати, разработанный исследователями из Университета Миннесоты в городах-побратимах, более точно имитирует адаптивную природу человеческих тканей. В нём используются достижения современной биопечати для создания реалистичных тканей, жёсткость которых может меняться в зависимости от расположения на теле и направления движения. Для дополнительного реализма исследователи включили в печатный материал микрокапсулы, заполненные жидкостью, чтобы имитировать выделение телесных жидкостей.
Исследователи считают, что их новая напечатанная на 3D-принтере ткань может быть адаптирована и настроена в будущем для создания различных синтетических органов. Такие реалистичные заменители, доступные по требованию, могут ускорить обучение медицинских работников.
Разработка, подробно описанная на этой неделе в Science Advances, — это лишь последнее в ряду исследований, подчёркивающих, насколько реалистичной стала синтетическая кожа.
«Этот подход открывает двери для создания более реалистичных моделей для тренировок по хирургии, что в конечном итоге может улучшить медицинские результаты», — заявил в заявлении выпускник кафедры машиностроения Университета Миннесоты, кандидат наук и первый автор статьи Адарш Сомаяджи.
Создание реалистичной искусственной кожи
Искусственная кожа в медицинских целях известна на протяжении веков. Современные версии обычно изготавливаются путём отливки различных синтетических материалов в форме человеческого тела. Эти слепки являются бесценными инструментами для обучения хирургов, но они не полностью соответствуют реальной человеческой коже.
Исследователи из Университета Миннесоты считают, что современные 3D-биопринтеры могут изменить ситуацию, предлагая способ создания более точных с точки зрения структуры и индивидуальных моделей органов.
Чтобы сделать это, исследователи сначала разработали математическую модель, предсказывающую, как напечатанная ткань должна вести себя в реальном мире. Эта модель помогла обеспечить точное воспроизведение эластичности, жёсткости и прочности кожи в зависимости от её расположения на теле.
На видео, снятом исследователями, видно, как биопринтер наносит слои синтетической кожи с микрокапсулами, заполненными жидкостью, между ними. Затем один из исследователей взял кожу (которая была надета на руку манекена) и разрезал её бритвой. Имитированная кровь, зажатая между слоями, вырывается наружу в точке разреза, имитируя в ужасных деталях ощущение реального кровотечения.
Пока что напечатанная кожа работает так, как задумано. В опросах, проведённых после практических занятий, хирурги сообщили, что предпочитают тактильную обратную связь и реакцию на разрезание по сравнению с обычной искусственной кожей, которую они обычно используют.
«Мы ожидаем, что эти инструменты помогут преодолеть разрыв в реалистичности и механической точности между имитаторами тканей и настоящими человеческими тканями, тем самым улучшая качество медицинского обучения и образования, а также результаты хирургических операций», — пишут исследователи.
Исследователи использовали технику послойной печати для создания текстуры, напоминающей прочность и эластичность человеческой ткани.
Эра печатаемых частей тела не за горами
В последние годы симулированная синтетическая кожа быстро превратилась из концепции научной фантастики в реальное приложение. Ранее этим летом исследователи из Кембриджского университета и Университетского колледжа Лондона разработали новый тип чувствительной синтетической кожи из гидрогеля, который может обнаруживать прикосновения, давление, тепло, холод и даже повреждения. В конце концов, исследователи говорят, что реактивная кожа может помочь человекоподобным роботам «ощущать» мир вокруг себя.
Исследователи из Технологического университета Граца и Технологического института Веллора (VIT) в Индии аналогичным образом разрабатывают искусственную кожу животных из гидрогелевых слоёв, напечатанных на 3D-принтере, и укреплённых живыми человеческими клетками. Хотя разработка всё ещё находится в стадии исследования, эта команда считает, что она сможет имитировать человеческую кожу достаточно точно, чтобы заменить нынешнюю потребность в коже животных при косметическом тестировании.
Эти достижения происходят наряду с улучшением базового оборудования, используемого для их создания. Современные биопринтеры, такие как один, разработанный исследователями из Мельбурнского университета, могут производить различные типы структур, имитирующих широкий спектр тканей, от мягкой кожи до более твёрдых хрящей и костей.
Конечная цель всего этого — не только улучшить типы материалов, на которых будут тренироваться будущие специалисты, но и однажды, возможно, производить готовые органы, которые можно было бы использовать для трансплантации пациентам, которые в них нуждаются.
«Хотя остаются проблемы с масштабированием процесса, мы видим большой потенциал в этом методе 3D-печати для сценариев обучения с низким объёмом и высокой сложностью», — добавил Сомаяджи.