Основной докладчик BIOMEDevice Boston обсуждает инновации в восстановлении барабанной перепонки с использованием 3D-печати на основе экструзии.
«Легкие проблемы — это не весело», — сказала Николь Блэк, доктор философии, вице-президент по биоматериалам и инновациям Desktop Health. Вместо этого она предпочитает решать сложные проблемы, потому что они дают инновационные результаты. Как следует из названия ее должности, стремление к инновациям лежит в основе карьерных целей Блэк, и в своем предстоящем программном выступлении на конференции BIOMEDevice Boston она планирует побудить участников решать свои собственные сложные задачи, чтобы получить больше вознаграждения.
«Помнить об общей миссии того, что вы стремитесь сделать и кому вы пытаетесь помочь, может действительно вдохновить и мотивировать вас преодолеть эти препятствия», — сказала она в недавнем интервью MD+ DI .
Собственный опыт Блэка подтвердил это. Ее дипломная работа привела к созданию стартап-компании, которая затем была приобретена публичной компанией Desktop Metal. «На момент моего прихода в Desktop Metal было совершенно новым подразделением Desktop Metal, и его миссия заключалась в том, чтобы создавать лучшие решения для пациентов с помощью этих высококачественных решений для 3D-печати», — отметила она. «Наша миссия в нашей команде — продвигать насадку в здравоохранении, пытаясь найти приложения, в которых 3D-печать на основе экструзии будет ценна не только для академических исследований, но и для конечного использования медицинских устройств».
Последний проект Блэка в Desktop Health использует систему биоразлагаемых материалов AlignInk при создании устройства PhonoGraft для восстановления барабанной перепонки. «Мы черпаем вдохновение из природы и программируем способ, которым клетки не только растут на трансплантатах, но и то, как клетки в конечном итоге реконструируют эти трансплантаты в ткань, которая выглядит и действует как нативная ткань», — сказала она.
В своей презентации она расскажет аудитории последние новости об устройстве PhonoGraft компании, а также расскажет о более широких проблемах 3D-печати в сфере медицинского оборудования.
Можете ли вы дать обзор системы биоразлагаемых материалов AlignInk и того, как она работает с устройством PhonoGraft?
Система материалов AlignInk предназначена для изготовления тканевых трансплантатов, напечатанных на 3D-принтере, внутри которых имеется анизотропия. Анизотропия — сложное слово, которое просто означает разные свойства материала в разных направлениях. В вашем теле есть много тканей, которые выглядят и ведут себя по-разному в разных направлениях. Например, кровеносные сосуды выстланы эндотелиальными клетками сосудов, которые выравниваются по направлению кровотока. В некоторых типах хряща происходит выравнивание хондроцитов и коллагена внутри этого хряща, например, в фиброзном хряще височно-нижнечелюстного сустава. Кроме того, каждая мышца вашего тела имеет выровненные миоциты, которые обеспечивают направленное расширение и сокращение.
Мы разработали систему материалов AlignInk, чтобы она могла определять направление роста клеток на трансплантатах из биоматериала, напечатанных на 3D-принтере, и в конечном итоге иметь возможность реформировать эти анизотропные ткани. По сути, это способ направлять клетки и откладывать в них белки внеклеточного матрикса, такие как волокна коллагена и эластина, в разных направлениях. Мы разработали эту систему чернил для использования с экструзионными 3D-принтерами, такими как 3D-Bioplotter. Внутри системы чернил имеется несколько компонентов, и в процессе экструзии система чернил образует анизотропную структуру вдоль направления экструзии. Создавая анизотропные трансплантаты, которые могут определять направление роста клеток и отложения внеклеточного матрикса, мы косвенно программируем структуру конечной ткани.
Для устройства PhonoGraft выравнивание очень важно, поскольку ваша собственная барабанная перепонка содержит круговые и радиальные волокна, которые позволяют ей хорошо проводить звук как на низких, так и на высоких частотах. Большинство традиционных тканевых трансплантатов, используемых для восстановления барабанной перепонки, изотропны, что означает, что свойства их материала одинаковы во всех направлениях, или их анизотропная структура не соответствует структуре барабанной перепонки. Таким образом, у пациентов часто имеется полностью мягкий материал, заменяющий барабанную перепонку, или полностью жесткий материал, заменяющий барабанную перепонку. Исследователи показали, что радиальная жесткость особенно важна для обеспечения слуха в широком диапазоне частот. Итак, если вы просто замените барабанную перепонку трансплантатом изотропной ткани, вы сможете хорошо слышать на низких частотах, но не на высоких, или на высоких, но не на низких частотах.
Этот подход к 3D-печати отличается от подхода, применяемого многими компаниями, производящими медицинское оборудование, где 3D-печать используется в первую очередь для настройки устройств, также известной как подбор пациентов. Хотя макроструктуру устройств также можно настраивать с помощью технологии AlignInk, мы также приближаемся к микроструктуре устройств — до уровня, на котором клетки взаимодействуют с устройством. В Desktop Health мы рассматриваем 3D-печать не только как средство создания прототипов и настройки, но и как метод конечного производства, позволяющий придать устройствам уникальные структурные и функциональные свойства для улучшения результатов лечения пациентов.
Какие последние достижения в области материального развития позволили создать эту систему?
Система материалов, с которой мы работаем, содержит смесь биоразлагаемых природных и синтетических полимеров, которые имитируют внеклеточный матрикс, окружающий клетки вашего тела. Система материала является гидрофильной, что способствует прорастанию клеток в трансплантаты, и пористой, что позволяет трансплантату прилипать к нативной ткани вокруг места дефекта посредством капиллярного действия. Для нас было очень важно найти версии этих натуральных и синтетических полимеров медицинского назначения, и, к счастью, мы видим, что все больше компаний, производящих материалы, поставляют свою продукцию в версиях медицинского назначения.
Кроме того, сама технология экструзии, 3D-Bioplotter, позволяет использовать технологию AlignInk, поскольку вы можете оказывать относительно высокое давление на эти системы чернил, что позволяет им течь через сопла с очень маленьким внутренним диаметром. 3D-биоплоттер имеет самый широкий в отрасли диапазон доступных температур печати: от 2°C до 500°C, поэтому реологическое поведение чернил можно регулировать путем изменения материала и температуры. В конечном итоге это приводит к производству печатных устройств с высоким разрешением и высокой воспроизводимостью между партиями.
Почему восстановление барабанной перепонки было выбрано в качестве первого проекта Desktop Health?
Мы выбрали устройство PhonoGraft в качестве нашего первого крупного внутреннего проекта, поскольку существует очевидная неудовлетворенная потребность пациентов в улучшенных трансплантатах для восстановления барабанной перепонки. Я начал заниматься этой проблемой, когда был аспирантом лаборатории профессора Дженнифер Льюис в Институте биологической инженерии Висса в Гарварде. Профессор Льюис возглавляет потрясающую исследовательскую лабораторию, занимающуюся разработкой технологий 3D-печати и материалов для решения серьезных проблем в самых разных областях: от мягких приводов до органов на чипе. В начале 2015 года я встретил доктора Аарона Ременшнайдера и доктора Эллиота Козина в Массачусетской больнице глаз и ушей и начал узнавать о проблемах, с которыми сталкиваются пациенты, перенесшие процедуры восстановления барабанной перепонки.
Во время нашего раннего исследования неидеальных результатов слуха после процедур восстановления барабанной перепонки мы обнаружили работу, которая связала уникальную структуру барабанной перепонки с ее способностью проводить звуковые волны в широком диапазоне частот. Например, группа профессора Сунила Пуриа из Стэнфордского университета и Массачусетской глазной и ушной больницы продемонстрировала важность анизотропной жесткости для звукопроводимости, разработав вычислительную модель среднего уха с различными свойствами материала по всей барабанной перепонке. Другое исследование его группы показало, что прорези в ткани барабанной перепонки, ориентированные на разрез, приводят к различному влиянию на звукопроводимость в зависимости от направления разреза. Несмотря на эти результаты исследований, не существовало продуктов, которые хотя бы пытались воссоздать круговую и радиальную архитектуру с помощью тканевого трансплантата.
Кроме того, мы поняли, что современные процедуры восстановления барабанной перепонки являются инвазивными и громоздкими: пациенты обычно подвергаются общей анестезии и проводят в больнице целый день. К сожалению, трансплантаты аутологичной ткани, взятые из донорского участка, такого как фасция или хрящ, требуют дополнительного времени и разрезов на теле пациента. Кроме того, может быть сложно имплантировать эти трансплантаты так, чтобы они закрывали перфорацию на медиальной стороне барабанной перепонки. Мы разрабатываем устройство PhonoGraft таким образом, чтобы его мог имплантировать через слуховой проход бодрствующему пациенту любой врач отоларинголог, обученный использованию эндоскопа.
Итак, основная причина, по которой мы в восторге от устройства PhonoGraft, заключается в том, что оно использует инновации двух разных линз для улучшения результатов лечения пациентов. Первая линза — микроструктурный контроль с помощью системы AlignInk. Преобразуя эту систему чернил в трансплантат с круговой и радиальной структурой, мы надеемся, что сможем позволить организму реконструировать трансплантат в ткань, соответствующую этой структуре, что может привести к улучшению результатов заживления и слуха. Вторая линза — это макроструктурный контроль с помощью 3D-Bioplotter и наших уникальных вспомогательных материалов, которые можно наносить вместе с системой AlignInk. Разработав устройство PhonoGraft таким образом, чтобы оно могло располагать перфорацию как на медиальной, так и на латеральной стороне барабанной перепонки, мы стремимся сделать процедуру более эффективной и доступной для пациентов всех демографических групп.
Каковы особые нормативные проблемы при выводе этих типов устройств на рынок?
Когда большинство людей думают о нормативных проблемах в области 3D-печати, они думают об устройствах, адаптированных к пациенту, которые представляют собой специальные устройства, разработанные с учетом анатомии конкретного пациента. Когда компания решает пойти по этому пути, устройства могут производиться в бесконечном количестве конструкций, каждая из которых требует валидации, что создает уникальные проблемы с регулированием. К счастью, мы не идем по пути подбора пациентов с помощью устройства PhonoGraft, поскольку устройства для восстановления барабанной перепонки не обязательно должны точно соответствовать размеру перфорации барабанной перепонки. Вместо этого мы разрабатываем стандартный комплект устройств PhonoGraft, содержащий три размера, которые смогут лечить большинство перфораций барабанной перепонки.
FDA подтвердило право устройства PhonoGraft на участие в программе 510(k), которая представляет собой предпродажную заявку, демонстрирующую, что устройство, которое будет продаваться, так же безопасно и эффективно, как и устройство, продаваемое на законных основаниях. Поскольку трансплантаты можно имплантировать через ушной канал, FDA упомянуло на наших встречах перед подачей заявки, что они хотели бы увидеть небольшое подтверждающее исследование на людях, чтобы подтвердить, что устройство можно успешно разместить как в операционной, так и в офисе. Я бы сказал, что это была наша самая неожиданная нормативная проблема, поскольку исследования на людях редко требуются для изучения пути 510(k). Однако это свидетельствует о том, что мы внедряем инновации во многих областях. Мы используем новые системы материалов, новый метод производства и новую конструкцию для улучшения имплантации. Инновации – это хорошо,
Как вы видите развитие этой области 3D-печати в сфере медицинского оборудования?
Я заметил растущий интерес к 3D-печати в ортопедической сфере и в области сосудистых трансплантатов. В частности, недавно выпущенная платформа PrintRoll ускорит разработку цилиндрических трансплантатов для сосудистых, дыхательных, кишечных и других каналообразных тканей., который представляет собой вращающуюся подложку для 3D-биоплоттера. Жестко контролируемая скорость вращения платформы PrintRoll в сочетании с подпружиненными, легко заменяемыми оправками разных размеров делают ее идеальной для разработки медицинского оборудования. Я очень рад начать работать с партнерами-производителями медицинского оборудования над разработкой новых инновационных устройств с использованием 3D-Bioplotter, платформы PrintRoll и наших систем материалов AlignInk. Девиз нашей команды — «Движение насадки в здравоохранении», и я искренне верю, что мы ежедневно движемся вперед.
Я думаю, что в области 3D-печати в целом мы увидим рост числа компаний, использующих 3D-печать в качестве производственного инструмента для придания устройствам уникальных микроструктурных свойств, которых они не могут достичь с помощью традиционных производственных технологий, таких как литье под давлением. формование, фрезерование и токарная обработка. Я надеюсь, что в будущем люди будут рассматривать 3D-печать не просто как метод прототипирования или создания устройств, адаптированных к потребностям пациента, а, скорее, я надеюсь, что люди полностью используют потенциал 3D-печати для придания конечным материалам определенных свойств и функций. -использовать детали и устройства.
Кому следует присутствовать на вашем программном выступлении?
Этот доклад актуален для всех, кто интересуется инновациями в области медицинского оборудования, биоматериалами, биопроизводством или 3D-печатью. Часть разговора будет о том, как моя дипломная работа превратилась в стартап-компанию, которая затем была приобретена публичной компанией. Итак, я думаю, что этот доклад будет особенно полезен аспирантам, аспирантам, постдокторантам и людям из начинающих компаний. Но также, если вы работаете в крупной компании и интересуетесь 3D-печатью, одна из моих текущих задач в Desktop Health — это партнерство с компаниями для совместной разработки медицинских устройств нового поколения, напечатанных на 3D-принтере. Через офис инноваций в области биофабрикации Desktop Health, расположенный в районе Чарльзтаун в Бостоне, наша команда может заключать соглашения о совместных разработках для проведения исследований и разработок на ранних и поздних стадиях. Многие компании, производящие медицинское оборудование, являются экспертами в конкретных областях рынка и учитывают потребности клиентов, но зачастую у них нет опыта в 3D-печати или разработке биоматериалов для разработки совершенно нового устройства с нуля. Поэтому я призываю представителей крупных компаний, заинтересованных в инновациях, также принять участие.
Я думаю, было бы здорово получить от людей несколько вопросов о различных областях, включая поиск материалов, разработку чернил, проектирование устройств, размышления о нормативных путях нового устройства и разработку методов испытаний для конечного устройства.
Что, по вашему мнению, участники вынесут из вашего основного выступления?
Блэк: Я надеюсь, что люди поймут, что инновации — это сложная задача, но оно того стоит. Многие компании, производящие медицинское оборудование, уклоняются от инноваций по причинам, которые я упомянул ранее, в том числе FDA требует проведения более обширных испытаний перед получением разрешения на устройство. Однако рынки, которые вы в конечном итоге откроете, и конкурентные преимущества, которые вы получите, будут намного более мощными, чем если бы вы выбрали менее инновационный путь. Я очень надеюсь, что люди поймут, что если они работают над решением проблемы, и это очень сложно — это хорошо. Легкие проблемы решать неинтересно.
