3D принтиране на човешка роговица? Да, с 3D принтер!

Как започна: „роговица за под 10 минути“

През 2018 г. екип на Newcastle University демонстрира доказателство за концепция: биопринтирана човешка роговица за под 10 минути. Био‑мастилото комбинира алгинат и колаген с човешки корнеални стромални клетки, а геометрията се екструдира по концентрични траектории. Жизнеспособността на клетките остава висока след 3D печат. Това не е готов имплант, а научен пробив, който показа, че 3D принтиране може да изгради жива тъкан с форма на роговица.

Ключов детайл е методът FRESH – 3д печат в поддържаща „желе‑баня“ от желатинови микрочастици. Банята държи меките хидрогелове стабилни, докато се „заключат“ (кръстосат); после се премахва термореверзибилно. Именно FRESH позволи куполната форма и тънките слоеве без деформации.

За да подготвят терена за персонализирани импланти, учените сканират роговици и генерират пациент‑специфични модели. Това е мостът между медицинското сканиране и 3D принтиране – познат workflow за нашата общност.

Какво напредна след 2018 г.

• Светлина вместо дюза: Появиха се корнеални строми, биопринтирани с DLP (Digital Light Processing) и био‑мастила на база dECM (деклетъчен роговичен матрикс) + GelMA. Предимствата са гладка повърхност, висока точност и добра прозрачност в предклинични модели.

• Оптика чрез параметри: Прозрачността зависи инженерно от концентрация на колаген, ъгъл между слоевете (0°/90°), диаметър на дюза и сливане на 3д филамент; в ново проучване (2025) оптимална конфигурация дава ~89.8% трансмитанс при 700 nm за колагенови хидрогелове.

• Клиника, но не изцяло биопринтирана роговица: Клетъчно‑свободен BPCDX (двойно кръстосан поркин колаген) възстановява зрение в пилотно проучване с 20 пациенти; EndoArt® (синтетичен ендотелен имплант) е с CE и има първи комерсиални имплантации в NHS (2024). Това са паралелни инженерни пътища, които намаляват зависимостта от донори.

Контекстът защо всичко това е важно остава непроменен: ~12.7 млн. души чакат роговична трансплантация, а глобално има 1 донорска роговица за 70 нуждаещи се.

Видове 3д принтери и как се превеждат към експериментите с 3д печат на роговица

1) Екструзия (спринцовкова) — „био‑еквивалентът“ на FDM/FFF

• Какво е: вместо филамент за 3д принтер → хидрогел (алгинат, колаген, GelMA, dECM).

• Как се „втвърдява“: йонно (Ca²⁺), термично, ензимно или фотокръстосване.

• Топ предимства: меки тъкани, вискозни мастила, FRESH баня за сложни кривини (като роговица).

2) Технология за 3D Printirane (SLA/DLP/LCD) — използва се логиката от смола за 3D принтер, но биохидрогел

• Какво е: фоточувствителни био‑мастила (напр. GelMA + dECM) се полимеризират слой по слой със светлина.

• Силна страна: гладка оптика и висока резолюция без дюза — особено релевантно за корнеални слоеве.

3) Мастиленоструйно (inkjet) и laser‑assisted (LIFT)

• Какво е: депозиране на микро‑капки — от мастилени глави или чрез лазерен импулс без дюза.

• Силна страна: прецизно „редене“ на клетки и микроархитектури; често за епител/ендотел.

За домашни и офис сценарии: най‑смислената аналогия е FDM ↔ екструзия с хидрогел и SLA/DLP ↔ фотобиопринт. Не забравяйте, обаче, че работата с клетки изисква стерилност и регулации – у дома правим акулурни (без клетки) прототипи, не тъкани.

FRESH накратко: „умната support‑баня“ за меки материали

FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels) печата в желатинова суспензия, която държи нишките стабилни → после се разтваря. Версия v2.0 подобри размера и еднородността на частиците в банята → по‑гладки повърхности и по‑точни контури (важно за оптиката). Ако работите с меки гелове (дори без клетки), FRESH е универсална стратегия за тънкостенни куполи и кривини.

Сканиране → модел → принт: кои 3D скенери и медицински сканирания са релевантни

Медицински измервания за пациент‑специфична роговица

• Corneal topography (Placido‑disk): проектира концентрични пръстени върху роговицата и отразеният модел дава кривини на предната повърхност. Бързо и широко достъпно.

• Scheimpflug томография (напр. Pentacam): въртяща камера реконструира 3D карта на предна+задна повърхност и дебелина (пахиметрия). Подходящо при сложни случаи.

• AS‑OCT (предносегментна ОКТ): „сканира“ напречни срезове и обемни данни — полезно за точна геометрия и дебелини.

Потребителски/инженерни 3D скенери (за вашия цех/дом)

• Структурирана светлина: проектор + камери, триангулация от деформиран светлинен шаблон — много детайлна геометрия за продуктови детайли, прототипи и анатомични макети.

• Лазерна триангулация: лазерна линия/точка + камера — стабилна технология за индустрия и контрол.

• Фотограметрия: множество снимки → 3D модел; бюджетно, със смартфон/камера. Отлично за по‑големи обекти и контекст.

В 3dlarge.com поддържаме отделни категории за 3д принтери (FDM, смолни/DLP) и 3D скенери (структурирана светлина, лазер). Ако правите образователни макети, инструменти и калъпи за гелове, ще се чувствате „у дома“ с тези устройства.

Как 3D принтирането „прави“ оптика: настройки, които имат значение

• Ъгъл между слоевете: ортогонални пътеки (напр. 0°/90°) минимизират насоченото разсейване.

• Диаметър на дюза/игла: по‑малък → фини „нишки“ → по‑гладка оптика (внимавайте със срязването).

• Концентрация на колаген: по‑ниска → по‑висок трансмитанс, но по‑слаба механика; нужен е баланс.
  Ново проучване (2025) показва ~89.8% трансмитанс при 700 nm при 0.8% колаген, 90° ABAL и 100 μm дюза (акулурни образци).

До къде е развитието днес и какво вече стигна до пациенти

• Все още няма публикувани човешки клинични изпитвания с изцяло биопринтирана роговица. Въпреки това, биоинженерни решения влизат в клиника: BPCDX (колагенов имплант, без клетки) и EndoArt® (синтетична ендотелна мембрана, CE; първи комерсиални имплантации в NHS през 2024).

• Защо е важно: световният недостиг е реален — 1 роговица за 70 нуждаещи се; затова 3D принтиране + биоматериали са стратегически.

Практични сценарии за нашите читатели (вкл. домашни потребители)

• Анатомични модели и учебни макети: FDM за бързина и цена; смолен DLP/SLA за фини детайли (прозрачни макети на роговица за демонстрации).

• Формове/калъпи за гелове: 3D принтиране на кухи форми (PLA/PETG/смола), пълнени с инертни гелове (без клетки) за тест на геометрия/оптика.

• 3D сканиране → модел → 3D принтиране: структурирана светлина/фотограметрия за предмети и лицеви макети; OCT/топография са медицински инструменти, но принципът „3D сканиране → CAD → G‑код“ е същият.

• Безопасност: работа с клетки/тъкани не е за дома (нужни са стерилна среда и регулации). Домашните проекти са акулурни – фокус върху геометрия, оптика и механика.

Ако търсите 3д принтери за дома → започнете с FDM (универсален, изгоден) и/или смола (DLP/LCD) за фини прозрачни модели; за дигитализация разгледайте 3D скенери тип структурирана светлина. В 3dlarge.com имаме категории и филтри по обем, резолюция и материали, за да изберете реалистично спрямо задачата.

Етика, регулации и хоризонт

Биопринтирането на човешка роговица остава предклинично — т.е. доказана е концепцията, но няма изпитания върху хора с живи клетки. За сметка на това вече има клинична реалност: EndoArt®, синтетичен имплант, се използва при пациенти с corneal endothelium дефицит. Пример: 91-годишен пациент в NHS възстанови зрението си благодарение на кора про-ендотелна имплантация, направена за първи път в Англия.
Дългосрочни наблюдения (над 12–24 месеца) при първите имплантации показват значимо намаление на corneal edema и подобрение на зрителната острота, с минимални усложнения. Това е важен крачка в към клинична хирургия, което доказва, че инженерни решения могат реално да помогнат — показвайки мащабируемост, складова наличност (shelf-life) и свобода от донорски ограни.