Представьте себе мир, в котором мы сможем печатать человеческие органы не только в 3D, но и с возможностью роста и эволюции, как живые ткани. Таковы перспективы 5D-печати. В этом руководстве мы рассмотрим, как эта революционная технология выходит за рамки традиционной печати, представляя саморастущие материалы, которые могут произвести революцию в медицине и производстве. Читая дальше, вы узнаете о потенциальном влиянии на трансплантацию органов, разработку жизнеподобных существ и будущее искусственного интеллекта. Готовы погрузиться в будущее производства?
В феврале 2013 года американец Скайлар Тиббитс представил концепцию 4D-печати, а спустя пять месяцев академик Лу Бинхенг из Сианьского университета Цзяотун предложил концепцию 5D-печати.
В статье "Дорожная карта развития технологии 3D-печати", опубликованной в China Information Week 29 июля 2013 года, академик Лу Бинхэн первым предположил, что 5D-печать - это современная форма клеточной печати, когда необходимые нам живые ткани и органы могут быть созданы с помощью печати.
Он неоднократно рассказывал о 5D-печати, объясняя, что со временем меняется не только форма, но и функциональность. Например, при печати человеческих органов, после того как напечатан каркас, в него помещаются человеческие клетки, которые в подходящей среде превращаются в различные ткани, в итоге становясь органом.
Конечно, 5D-печать - это гораздо больше, чем просто концепция: если 4D-печать добавляет к 3D-печати измерение времени, используя умные материалы для самосборки, то 5D-печать вводит способность к саморазвитию, то есть не просто добавляет еще одно измерение, а расширяется до нескольких измерений.
Важно отметить: во-первых, хотя 5D-печать по-прежнему использует технологическое оборудование для 3D-печати, напечатанные материалы представляют собой живые клетки и биологически активные факторы, обладающие жизненной силой. Эти биоматериалы должны претерпевать функциональные изменения в ходе своего последующего развития, поэтому с самого начала необходимо продумать полный жизненный цикл конструкции.
Во-вторых, некоторые современные так называемые свободные формы 5D-производства относятся к пятиосевой обработке на уровне технологии производства, которая все еще находится в сфере 3D-производства и полностью отличается от концепции 5D-печати, не играя ведущей роли в научно-технических инновациях.
Очевидно, что 5D-печать преобразует традиционное производство, которое характеризуется статичными структурами и фиксированными характеристиками, в динамичное и изменяемое по функциональности, преодолевая традиционные парадигмы производства в направлении структурного интеллекта и функционального генезиса.
Это приведет к разрушительным изменениям в технологии производства и искусственном интеллекте, что позволит превратить производство неживых объектов в жизнеподобные существа, способные менять форму и свойства.
В ближайшей перспективе эта технология может произвести революцию в пересадке органов и медицинском обслуживании людей, а в более отдаленной перспективе она способна создать новое направление в науке о производстве и науке о жизни, а также привести к революционному развитию искусственного интеллекта.
Суть 5D-печати заключается в изготовлении тканей с жизненными функциями, предлагая людям возможность изготавливать функциональные органы на заказ. Технология изготовления искусственных тканей и органов является ключевым направлением, поддерживаемым мировыми производственными мощностями.
Например, в документе США "Перспективы производственных задач на 2020 год" производство биологических тканей названо одним из основных направлений развития высоких технологий; в "Стратегическом отчете о будущем производства: 2015-2020" Европейской комиссии предлагается сосредоточиться на разработке биоматериалов и искусственных протезов, позиционируя биотехнологии как одну из четырех основных дисциплин, лежащих в основе будущего производства;
Технологическая дорожная карта Японского общества инженеров-механиков выделяет микробиомеханику для содействия регенерации тканей в качестве одного из десяти направлений исследований. Как международные, так и отечественные компании достигли частичного клинического применения и промышленного внедрения в производство персонализированных заменителей человека и мембраноподобных активных тканей.
Однако инженерное создание сложных активных тканей и органов до сих пор представляет собой множество проблем. В настоящее время в мире насчитывается более 300 институтов и компаний, занимающихся исследованиями и разработкой биологических 3D-технологий.
Среди них Институт регенеративной медицины Уэйк Форест (США), добившийся ряда новаторских результатов в области биологического 3D: они первыми успешно напечатали стволовые клетки и вызвали дифференциацию функциональной костной ткани; в сотрудничестве с Институтом регенеративной медицины армии США они разработали 3D-принтер для печати кожи; они также напечатали структуры, похожие на "искусственные почки".
За рубежом были разработаны гетерогенные интегрированные структуры сосудистой сети и гетерогенные интегрированные устройства для печати клеток, позволяющие создавать гетерогенные клеточные структуры, такие как костные заплатки черепа человека и ушной хрящ.
В Китае была осуществлена печать костей, зубов, ушных хрящей и сосудистых структур, которые уже получили предварительное клиническое применение; также были изготовлены модели стволовых клеток глиобластомы и многоклеточные гетерогенные модели волокон опухоли мозга. Известные китайские университеты, включая Университет Цинхуа, Сианьский университет Цзяотун, Чжэцзянский университет, Южно-Китайский технологический университет, Сычуаньский университет и Цзилиньский университет, провели глубокие исследования в этой области.
Разрыв между некоторыми отечественными областями биологического производства и передовым международным уровнем сокращается, а некоторые из них даже вышли на лидирующие позиции в мире.
5D-печать представляет собой конвергенцию производственных технологий и технологий науки о жизни, где в основе лежит намеренное проектирование, изготовление и регулирование. Основные ключевые вопросы включают следующие пять аспектов.
Основываясь на понимании свойств саморазвития живых организмов, необходимо разработать теории структурного и функционального дизайна клеток и генов на начальном этапе и в процессе роста.
Основные задачи включают: во-первых, преодоление существующих теорий механического дизайна, сфокусированных на структурном дизайне и механической функции, для разработки методов дизайна, которые совместно эволюционируют структуру, управление и функцию; во-вторых, понимание законов, управляющих клеточной и генной репликацией и саморепликацией, для разработки состава и структуры клеток начального состояния, которые растут по своим собственным правилам;
И, в-третьих, проведение исследований материалов, производственных процессов и методов инженерного контроля для живых существ, которые разлагаются, обладают достаточной инженерной прочностью, могут быть активированы и выращены в определенных условиях.
В 5D-печати живые единицы служат основой для роста и развития тканей, а отдельные клетки или гены составляют ядро последующих функциональных проявлений. Микро- и наномасштабное накопление этих живых единиц требует изучения принципов их укладки и взаимосвязей.
Регулируя межклеточные отношения, мы можем управлять трехмерной пространственной структурой и функциями, тем самым способствуя росту и функциональной регенерации тканей. Отличительной чертой 5D-печати является функциональная регенерация живых организмов, при этом сохранение их жизнеспособности имеет первостепенное значение.
Поэтому производство живых организмов требует обеспечения соответствующей среды культивирования, включая контроль питательных веществ, кислорода, углекислого газа и других атмосферных условий в культуральной среде, чтобы создать синергию между биологической средой и процессом печати.
Очень важно изучить механизмы и инновационные процессы, которые позволяют различным материалам и структурам вырастать в различные ткани и функции в определенных условиях. Начальные структуры и функции в 5D-печати должны развиваться в конечные функциональные возможности в конкретных условиях.
Это требует понимания взаимосвязи между формированием функции и изготовлением конструкции, а также законов функциональных изменений с течением времени в многоклеточных системах.
Это включает в себя взаимосвязь и взаимодействие клеток, которые своими эффектами создают функции выделения энергии (мышечные клетки) или передачи информации (нейроны), обеспечивая техническую основу для разработки многофункциональных устройств.
Живые организмы - это функциональные организации, управляемые информацией, подобно роли нейронов в организме животных и человека. В 5D-печати очень важно изучить, какие материалы и структуры могут заменить нейронные функции, как правильно передавать электрические или химические сигналы и как управлять формированием различных функций в тканях.
Исследование нейронных и мозгоподобных тканей поможет создать организации передачи информации, основанные на естественных характеристиках человека, и продвинуться к искусственному интеллекту с естественной организацией, подобной мозгу.
Современное глубокое обучение в искусственном интеллекте опирается на предположение модели, обучение данных, непрерывное накопление знаний и даже использует биологические генетические алгоритмы для реализации функций искусственного интеллекта, подобно тому, как самолеты заменили птиц.
В будущем мозгоподобные существа смогут использовать 5D-печать для имплантации чипов в воссозданные или искусственные органы, изучать случайную взаимосвязь нейронов человеческого мозга для создания мощных биологических чипов или использовать гены для полного воспроизведения биологически активного мозга.
Сбор информации, контроль принятия решений и управление искусственным мозгом, оригинальными органами человека и различными искусственными органами - это области, требующие дальнейших исследований и инноваций.
При внедрении технологии 5D-печати важно понимать принципы проектирования и производства. Нацеливаясь на конкретные органы или биологические устройства, необходимо заниматься систематическим структурным и функциональным проектированием роста.
Это включает в себя понимание того, как регулировать клеточные или генетические комбинации в 5D-печати, как контролировать вызванные процессом повреждения живого организма во время печати, как управлять функциями сформированных органов или устройств, а также вмешательство и руководство ростом клеток.
Необходимо понять взаимосвязь между 5D-печатью и формированием функций, оценить и измерить функции многофункциональных устройств или тканей, а также создать исследовательскую систему, объединяющую проектирование жизненных единиц, печать без повреждений и создание функций. Это обеспечит техническую поддержку, необходимую для разработки органов и устройств с биологическими свойствами.
5D-печать позволит перенести производство с таких материалов, как дерево, металл и кремний, на биологические материалы, перейдя от неизменяемых структур к устройствам, способным к функциональной регенерации.
Для достижения этой цели крайне важно создать преобразующие методы проектирования и производства, ориентированные на функциональность, и развивать производственные технологии за счет междисциплинарной интеграции. Государственная ключевая лаборатория проектирования механических производственных систем при Сианьском университете Цзяотун проводит многообещающие исследования в направлении развития 5D-печати.
Инфаркт миокарда - тяжелое заболевание, представляющее значительную угрозу для здоровья человека. Существующие инженерные сердечные заплатки не обладают электрофизиологическими свойствами и не могут установить электрическую проводимость сигнала с миокардом хозяина, что не позволяет добиться синхронного сокращения и серьезно ухудшает функциональное восстановление инфарктного миокарда.
Поэтому необходимы исследования по интеграции функций проводящих датчиков в традиционные сердечные ткани. Это предполагает использование технологии мультиматериальной микро/нано 3D-печати для интегрированного и контролируемого производства проводящих сенсорных кардиоскаффолдов, предлагающих новые средства для изучения патогенеза и лечения инфаркта миокарда.
Это исследование позволит перевести биопроизводство с традиционного изготовления строительных лесов на разработку "умных" проводящих сенсорных лесов. Моделируя микро/нановолоконную структуру естественного сердечного внеклеточного матрикса, было проведено исследование микро/субмикромасштабных композитных проводящих волоконных мультиматериалов методом электростатической печати.
Методом электростатической печати из расплава были получены микроволокна поли(капролактона) (PCL) диаметром 9,5 мкм±1,5 мкм; методом электростатической печати из раствора - проводящие волокна поли(3,4-этилендиокситиофен)/поли(стиренсульфонат)-полиэтиленоксид (PEDOT:PSS-PEO) диаметром 470 нм±76 нм.
Субмикромасштабные проводящие волокна PEDOT:PSS-PEO демонстрировали отличную проводимость, с проводимостью 1,72×103С/м. Методом послойного накопления были созданы многослойные композитные скаффолды, состоящие из многослойных микроволоконных скаффолдов с различной ориентацией и микро/субмикромасштабных проводящих скаффолдов, как показано на рис. 8-17.
Многослойный композитный скаффолд продемонстрировал благоприятные механические свойства в направлении волокон с модулем упругости около 13,0 МПа. Измерения проводимости скаффолда показали, что добавление субмикроскопических проводящих волокон PEDOT:PSS-PEO значительно повысило проводимость скаффолда.
Более того, микро/субмикромасштабные проводящие скаффолды сохраняли стабильную проводимость в водной среде, что заложило основу для последующих экспериментов с клетками.
Первичные кардиомиоциты, самые важные клетки сердечной ткани, обеспечивают силу сокращения сердца и кровоток.
Было изучено влияние вышеупомянутого многослойного композитного каркаса на ориентированный рост и синхронное биение первичных кардиомиоцитов крыс. После восьми дней совместного культивирования было обнаружено, что первичные кардиомиоциты способны расти вдоль микрометровых волокон PCL и формировать сложные, ориентированные клеточные сети на субмикрометровых проводящих волокнах PEDOT:PSS-PEO.
Клетки также экспрессировали значительное количество кардиоспецифических белков α-актинина и CX43. Количественный анализ флуоресценции показал, что количество этих белков, экспрессированных на субмикрометровых проводящих волокнах PEDOT:PSS-PEO, было значительно выше по сравнению с микрометровыми волокнами PCL.
Это свидетельствует о том, что субмикрометровые проводящие волокна PEDOT:PSS-PEO повысили проводимость каркаса, улучшили межклеточную передачу электрических сигналов, экспрессию белков и способность кардиомиоцитов к сокращению. Более того, многослойный ориентированный дизайн многослойного проводящего каркаса способствовал синхронному биению первичных кардиомиоцитов.
Нейронаука - одно из самых значимых направлений научных исследований на сегодняшний день и вершина научного соперничества между странами. В 2013 году президент США Обама объявил о "Мозговой инициативе", за которой вскоре последовали Европейский союз и Япония, запустив проекты The Human Brain Project и Brain/Minds Project соответственно.
В китайском "13-м пятилетнем плане" наука о мозге и исследования, связанные с ним, занимают четвертое место среди 100 основных проектов. По данным Всемирной организации здравоохранения, заболевания мозга, такие как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, аутизм и депрессия, стали более тяжелым бременем для общества, чем сердечно-сосудистые и онкологические заболевания. Из-за ограниченного понимания их патогенеза почти во всех случаях отсутствуют эффективные методы лечения.
В науке о мозге и исследованиях заболеваний мозга отсутствие доноров человеческой мозговой ткани стало основным узким местом. Ткани мозга животных не могут полностью отражать характеристики человеческого мозга, поэтому создание моделей in vitro, в точности имитирующих натуральные ткани человеческого мозга, является неизбежным требованием для развития нейронауки.
Функциональность нейронов в тканях мозга и их сигналы являются основополагающими для когнитивной функции. Расположение этих клеток, их типы и плотность в кортикальных слоях лежат в основе функциональных зон коры головного мозга. Продвижение от понимания мозга к его созданию обозначает направление разработки мозгоподобных компьютеров.
Морфологическое и функциональное конструирование тканей мозга in vitro зависит от биомиметического дизайна и точного изготовления типов нейронов, конструктивных структур и комбинаций нейронов, соответствующих целевым функциональным областям. Это перспективное направление, в котором должна развиваться 5D-печать биологических функций мозга.
В рамках разработки оборудования для создания in vitro мозгоподобной ткани была разработана и собрана интегрированная система печати/культивирования клеток. Она позволяет одновременно печатать различные клетки и компоненты матрицы, скорость печатающей головки составляет от 100 до 1000 мл/мин, а точность перемещения рабочего стола по оси X-Y не превышает 20 мкм.
Он может печатать слои ткани толщиной от 100 до 300 мкм, поддерживая температуру в камере печати 37°C±1°C. Концентрация кислорода и углекислого газа регулируется, отклонения концентрации находятся в пределах ±1%, что обеспечивает платформу для печати in vitro многоклеточных тканей, подобных мозгу, как показано на рисунке 8-18.
На основе существующего печатного оборудования параметры процесса печати были оптимизированы с учетом требований печати нейронных клеток, что позволило получить трехмерные жизнеспособные нейронные ткани, инкапсулирующие первичные нейронные клетки крысы с жизнеспособностью клеток после печати более 94%.
Естественная ткань мозга состоит в основном из двух типов нейронных клеток: нейронов и нейроглии. Используя вышеупомянутую платформу, мы построили модели чистой нейронной ткани, смешанной ткани из нейронов и глиальных клеток, а также сложные тканевые структуры с нейронами и глиальными клетками, сосуществующими в заданном трехмерном пространственном расположении.
Эта установка позволяет совместно культивировать нейроны и глиальные клетки активной мозговой ткани in vitro при различных пространственных структурных соотношениях. Исследования показывают, что нейроны, расположенные рядом с глиальными клетками, но отделенные от них, могут демонстрировать морфологию и биохимические показатели, более напоминающие естественные ткани мозга, по сравнению с нейронами, культивируемыми in vitro в одиночку.
Эта модель обеспечивает более точное представление и исследовательскую базу для сосуществования нейроглиальных клеток и нейронов с трехмерной точки зрения, закладывая основу для последующих научных исследований мозга и патологических фармакологических исследований с использованием моделей in vitro.
Существующие машины ограничены низкой эффективностью преобразования энергии и гибкостью. Многонаправленные гибкие биоинспирированные роботы, питающиеся от живой мышечной ткани или клеток, представляют собой будущее биосимбиотической техники с высокой эффективностью преобразования энергии, внутренней безопасностью и маневренным движением. Для этого необходимо изучить методы производства многоклеточных/мультиматериальных композитов для биоинспирированных роботов.
Целью данного исследования является создание повторяемого, настраиваемого подхода к быстрому производству, основанного на функциональных требованиях к локомотивам жизнеподобных роботов, объединяющих биологические и механические системы.
① Для создания биологического объекта мы разработали микроструктуру скаффолда с отрицательным коэффициентом Пуассона для культивирования и дифференцировки мышечных клеток. Такая конструкция повышает степень дифференциации мышечных клеток и силу сокращения мышечной ткани, обеспечивая при этом необходимую защиту и питательные вещества для поддержания длительной активности биологического объекта.
② Что касается изготовления биологического объекта, то для производства биокомпонентов использовалась 3D-печать. Экспериментальные исследования роста и дифференциации клеток скелетных мышц показали, что эти клетки могут дифференцироваться в зрелые мышечные волокна, что заложило основу для создания функциональных биологических объектов. Кроме того, мы сконструировали ползающего биомеханического гибридного робота, вдохновленного морским слизнем.
③ Для регулирования функциональности биологического объекта была создана платформа стимуляции с многополевой связью. Проведены исследования механизмов влияния бионических стимулов обогащения окружающей среды (таких как электрические и механические стимулы) на ходовые качества биологического объекта.
④ Что касается ходовых качеств биоинспирированных роботов, то для них была разработана кинематическая и динамическая модель, основанная на пружинно-демпферной системе второго порядка. С помощью кинематической и динамической экспериментальной платформы были проведены испытания ходовых качеств робота. Результаты показали, что при импульсной стимуляции квадратной волной частотой 50 Гц и напряжением 1 В робот может ползти вперед со скоростью 2 мм/с.
В вышеупомянутом исследовании рассматриваются потенциальные направления будущего для роботов с живым телом.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO