Инновационные системы: достижения и проблемы. В трех частях. Часть I I. Конкретные примеры получения продуктов инновационных систем по странам и направлениям

От авторов

Предлагаемая читателям книга является второй частью монографии «Инновационные системы: достижения и проблемы», которая включает в себя три основных блока:

Инновации – теоретические аспекты инноваций, представление инновационных систем стран, достигших в этом направлении значительных успехов.

Достижения – конкретные примеры получения продуктов инновационных систем по странам и направлениям.

Проблемы – что мешает продуктивной работе инновационных систем и как повысить их эффективность.

Первая часть монографии «Инновационные системы: достижения и проблемы. Теоретические аспекты инноваций, представление инновационных систем стран, достигших в этом направлении значительных успехов» опубликована в издательстве «Литрес». Готовится к публикации третья часть монографии «Инновационные системы: достижения и проблемы. Проблемы инновационных систем, возможные механизмы их разрешения».

Вторая часть монографии представляет достижения стран, в которых инновационные системы стали движущим элементом научно-технического прогресса, где процесс совершенствования техники, технологий, энергетики, товаров и услуг на основе использования результатов научных исследований привел к весомым экономическим, социальным, экологическим и информационным эффектам.

Инновации становятся значимой частью экономики и повседневной составляющей жизни обывателей там, где создана отлаженная инновационная система, а не ее фрагментарная имитация, когда дальше благих пожеланий модернизации и интенсификации дело не идет. Инновации без инновационной системы – пустой звук. Там, где практикуется имитация, инновации только мешают – одним богатеть, другим беднеть, при том, что все довольны. Первые – что жизнь удалась, вторые – что ещё живы. Средний класс – основной потребитель инновационных продуктов и главный поставщик свежих мозгов и умелых рук для их производства – присутствует в таких странах лишь как чужеродная прослойка.

В нашей книге не про аутсайдеров научно-технического прогресса, а про лидеров и их достижения, про что и пойдёт речь в этой части монографии «Инновационные системы: достижения и проблемы».

Материалы, представленные в книги, предлагаются к прочтению, изучению и практическому использованию всем заинтересованным лицам. В первую студентам и аспирантам, преподавателям и руководителям университетов, инженерам и конструкторам предприятий, менеджерам, в чьих должностных обязанностях прописаны инновации, чиновникам и политикам, радеющим за инновации.

В монография задействованы обзорные и публицистические статьи академика Олега Фиговского, опубликованные за последние годы в изданиях России, США, Израиля, других стран. Также в текст вошли публикации Валерия Гумарова, размещенные на сайтах технической и научной направленности. При работе над монографией были использованы публикации учёных и аналитиков многих стран, коим мы выражаем искреннюю благодарность.

Олег Фиговский , академик Европейской Академии Наук, президент Союза изобретателей Израиля, лауреат премий «Golden Angel Prize», «NASA NanotechBriefs® Nano 50™ Award», «2015 Presidential Green Chemistry Challenge Award», кавалер ордена «Инженерная Слава».

Валерий Гумаров , инженер, выпускник Московского физико-технического института, бывший администратор и редактор портала Нанотехнологического Общества России, экс-ответственный секретарь журнала «NBICS-Наука.Технологии», фрилансер.

1. Конкретные примеры продуктов инновационных систем

1.1.2 3D-печать в медицине

Нет ничего важнее здоровья, и уже сегодня цифровые технологии становятся буквально незаменимы в этой области. 3D-моделирование и 3D-печать успешно применяются в сфере, где особенно важен индивидуальный подход и строгое соответствие создаваемого предмета анатомии пациента. Уже сейчас так производят имплантаты, заменяющие поражённые кости и суставы. Просканировав область вмешательства и объединив данные с компьютерной томографией, врачи могут смоделировать и распечатать необходимый имплантат с точностью до долей миллиметра. После этого проверяется правильность геометрии полученного имплантата и происходит подготовка к операции на распечатанной по томографии пациента 3D-модели. Такие технологии уже применяются во всем мире.

Также уже создаются доступные бионические протезы, дающие новые возможности людям с ампутированными конечностями и даже животным. Врачи распечатывают индивидуальные шины, ортезы и лангеты, фиксирующие конечности при лечении переломов – они намного более удобны в применении и комфортны для пациента, чем традиционный гипс.

Активно применяют новые 3D-технологии в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Они позволяют с удивительной точностью планировать и проводить лечение, а также проектировать и создавать индивидуальные протезы и временные коронки как отдельных зубов, так и целых челюстных фрагментов.

Как это происходит:

1. Совмещается 3D-скан челюсти пациента с данными компьютерной томографии для высокоточного планирования размещения имплантата с учётом качества кости пациента, расположения нерва и артерии.

2. Определяется размер и форма имплантата и требуемый угол его установки.

3. По этим данным на 3D-принтере печатается хирургический шаблон, позволяющий не допустить врачебную ошибку при установке имплантата во время операции.

4. Печатается или фрезеруется временная коронка, для правильного заживления мягких тканей на послеоперационный период.

5. Печатается или фрезеруется постоянная металлокерамическая коронка из биосовместимого металла (титан или кобальт-хром).

Применяется 3D-печать и в ортодонтии для создания элайнеров – приспособлений исправляющих прикус, пришедших на смену неудобным и травмирующим брекет-системам. Этот метод сейчас довольно сильно набирает обороты по всему миру, элайнеры почти невидимы, но они действительно корректируют положение зубов и реально работают.

По большей части для изготовления 3D-печатных имплантатов используется тот же титановый порошок, что и для обычных. Их отличие в том, что 3D-принтер может придать порошку абсолютно любую форму. Вместо стандартных протезов, которые изготавливаются на промышленном оборудовании, 3D-принтер создаёт чрезвычайно сложные геометрические конструкции, которые идеально замещают повреждённые и разрушенные кости. Ещё одно преимущество 3D-печатных имплантатов заключается в пористой структуре, в которую врастают кости.

Самой ожидаемой технологией в медицине остаётся, конечно, печать живых органов. В отличие от традиционной трансплантации, восстановление тканей на основе 3D-печати позволит избежать таких проблем, как отторжение органов иммунной системой, а постановка технологии на поток откроет врачам возможность выращивать из клеток пациента новые органы, что поможет решить проблему нехватки органов для трансплантации. Широко известно напечатанное на 3D-принтере ухо, ведутся работы с клетками мышц, печени и кожи. Такие технологии позволят полностью восстанавливать повреждённые или утраченные ткани и органы.

К примеру, ученые Израиля провели трансплантацию напечатанной на 3D-принтере роговицы человеку со слепотой и добились восстановления зрения. Особенность новой технологии предполагает простую и быструю печать ткани по заданным характеристикам. Такое лечение может помочь миллионам людей, которые из-за травм, инфекций или генетических изменений теряют зрение.

Впервые технологию 3D-биопечати роговицы представили в 2018 году. Тогда ученые показали, что за шесть минут можно получить полностью готовый имплантат для пересадки человеку. С тех пор были проведены множественные эксперименты, и теперь сообщается о первой успешной трансплантации роговицы женщине со слепотой. Сегодня пересадка роговицы предполагает использование донорского биоматериала, однако проведение таких операций проводится лишь в некоторых развитых странах. Ученые из Ньюкаслского университета стремились упросить процесс получения новой ткани и придумали технологию, где всего лишь одна роговица здорового умершего донора может быть культивирована в лаборатории в 300 полноценных имплантатов.

«Особенность подхода позволяет использовать технологию в странах по всему миру и решить проблему нехватки донорской ткани», — заявили ученые.

Пересадку роговицы провели женщине со слепотой в октябре 2025 года в израильском Офтальмологическом институте Рамбам. Это первый случай успешной трансплантации пациенту роговичного имплантата, выращенного исключительно из культивированных клеток роговицы человека, а не из донорской ткани. Ранее ученые заявляли, что технологию также можно использовать для печати ткани сердца, печени и почек. Успехи в 3D-печати роговицы простимулируют дальнейшее применение метода в регенеративной медицине.

А началось все, пожалуй, в 2002 году, когда профессор Тоямского университета Макото Накамура увидел, что капли чернил в стандартном струйном принтере имеют примерно такой же размер, как клетки человека. После этого он адаптировал технологии и в 2008 году создал рабочую модель биопринтера, которая осуществляет печать биотрубочек, похожих на кровеносные сосуды, что вывело технологии 3D-печати на уровень медицинских приложений, где открылась возможность буквально распечатывать внутренние органы, готовые к трансплантации.

Другим пионером в области биопечати явилась компания Organovo, которая была создана исследовательской группой под руководством профессора Габора Форгача из университета Миссури. С марта 2008 года Organovo задалась целью создать технологии биопечати функционирующих кровеносных сосудов и сердечной ткани с помощью клеток, полученных из тканей цыплёнка. Эта работа опиралась на прототип биопринтера с тремя печатающими головками. Первые две головки выводят кардио- и эндотелиальные клетки, в то время как третья выделяет коллагеновую основу – так называемую «биобумагу» – для поддержки клеток во время печати.

Как продемонстрировала компания Organovo, при использовании процесса биопечати не обязательно печатать орган во всех деталях. Достаточно правильно расположить соответствующие клетки в ряды, а природа сама завершит работу. Этот процесс красноречиво свидетельствует о том, что клетки, содержащиеся в биочернильных сфероидах способны перестраиваться после печати. Например, экспериментальные сосуды были напечатаны с помощью биопринтера с использованием биочернильных сфероидов и состояли из совокупности тканей эндотелия, гладких мышц и фибробластов.

После того, как они были выстроены (уложены в слои) головкой биопринтера, эндотелиальные клетки мигрировали внутрь созданных кровеносных сосудов, клетки гладкой мускулатуры двигались в середину, а фибробласты мигрировали наружу без дополнительного вмешательства. Клетки более сложных тканей и органов, например, капилляров и других внутренних структур, после печати на биопринтере также самостоятельно принимают естественное положение. Этот процесс может показаться почти волшебным. Однако, как объясняет профессор Габор Форгач, он ничем не отличается от процесса, который происходит в клетках эмбриона, которые «знают», как правильно расположиться и сформировать сложные органы. Природа развила эту удивительную способность за миллионы лет. Соответствующие типы клеток, оказавшись в нужных местах, каким-то образом знают, что им делать.

Ожидается, что первое коммерческое применение биопринтеров будет заключаться в производстве простых человеческих структурных тканей для токсикологических испытаний. Это позволит учёным тестировать лекарства на моделях печени и других органах, созданных на биопринтере, тем самым снижая потребность в экспериментах на животных.

Organovo ожидает, что первым искусственно созданным человеческим органом станет почка, так как при трансплантации эти органы наиболее востребованы. Первые почки, созданные на биопринтере, не обязательно должны выглядеть и функционировать так же, как их природные аналоги. Главное, чтобы они очищали кровь от продуктов обмена.

Другое перспективное направление медицинских принтеров – печать имплантатов для хирургии и стоматологии. Научный коллектив под руководством Джереми Мао в лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины Колумбийского университета работает над применением биопринтеров для замены зубов и костей. Экспериментально создана решетчатая 3D-конструкция в форме резца и имплантирована в челюстную кость крысы. Эта структура состоит из микроканалов, которые наполнены веществами, стимулирующими развитие стволовых клеток. Всего через девять недель после имплантации они вызвали рост периодонтальной связки и образование альвеолярного отростка. Со временем эти исследования могут дать людям возможность иметь новые зубы, созданные на биопринтере, или получить их путём стимуляции организма к образованию собственных новых зубов.

3D-печать открывает новые возможности и такой области медицины, как трансплантация кожи. Так, команда исследователей биопечати под руководством Энтони Алата в Wake Forrest School of Medicine разработала принтер, создающий кожу. В начальных экспериментах они взяли 3D-сканы тестовых травм, нанесённых мышам, и использовали эти данные для управления головкой биопринтера, которая распыляет клетки кожи, коагулянты и коллаген на рану. Результаты этого эксперимента оказались также весьма многообещающими: заживление ран проходило всего за две-три недели (примерно пять-шесть недель – в контрольной группе). Частичное финансирование проекта создания кожи с помощью биопринтера осуществляется американскими военными, которые добиваются развития биопечати in situ, чтобы лечить раны прямо в боевых условиях.

По части медицинского применения 3D-печати небезынтересны и работы учёных из Имперского и Королевского колледжей Лондона, которые, объединив 3D-печать с криогенными технологиями, предложили методику, позволяющую с помощью 3D-принтера создавать структуры, аналогичные тканям мозга или лёгких. На данный момент существуют методы 3D-печати костей и тканей для органов с плотной структурой, таких как печень или почки. В этих случаях с помощью принтера создаётся трёхмерная подложка, каркас, на который «высаживают» клетки. Подложка печатается слой за слоем, но если она сделана из слишком мягкого материала, что имеет место при создании каркаса мозга или лёгких, то верхние слои будут деформировать нижние, и нужной структуры не получится.

Материалом печати подложки для тканей, подобных по структуре тканям мозга и лёгких, британские учёные выбрали композитный гидрогель, состоящий из растворимого в воде синтетического полимера и похожего на желе компонента под названием Phytagel. Чтобы избежать разрушения структуры, авторы работы предложили замораживать созданные слои перед нанесением следующих. В процессе печати гидрогелевые чернила замораживались с помощью сухого льда, а после оттаивания созданные из них структуры становились мягкими, как ткани тела, но не разрушались под собственным весом. В ходе тестирования технологии напечатанные структуры были засеяны фибробластами дермы – клетками, которые формируют соединительную ткань. Клетки успешно прижились. В будущем эту технику можно будет использовать для выращивания целых органов в нуждах трансплантологии и медицинской науки. Пока исследователи создали структуры размером в несколько сантиметров, но в дальнейшем намерены увеличить их масштабы.

У медицинской 3D-печати пока много ограничений, и главное из них – сложность соединения друг с другом капель биочернил – материала, из которого готовится структура живого органа. В настоящее время существует несколько методов склеивания капель биологических чернил вместе, но они не работают для всех типов клеток. В этом направлении интересна работа японских учёных, разработавших высокоточный метод соединения биочернил, расширяющий диапазон клеток, которые могут быть напечатаны на 3D-биопринтере. Основываясь на своей предыдущей работе, исследователи из Университета Осаки в Японии усовершенствовали свой новый метод соединения капель биочернил. Они использовали ферменты, которые позволяют напечатанным клеткам не терять форму, что даст возможность создавать сложные биологические структуры.

«Печать любой структуры ткани – сложный процесс, – говорит ведущий автор исследования Синдзи Сакаи. – Биочернила должны быть достаточно жидкими, чтобы течь через струйный принтер, но при этом быстро формировать гелеобразную структуру в процессе печати. Наш новый подход отвечает этим требованиям: мы используем полимер, который имеет отличный потенциал для создания тканей из широкого диапазона живых клеток».

В настоящее время в качестве главного гелеобразующего агента используется альгинат натрия. По словам учёных, он имеет некоторые проблемы совместимости с определёнными типами живых клеток. Новый подход основан на формировании гелевой структуры с помощью фермента, способного создавать поперечные связи между фенильными группами добавленного полимера в присутствии окислителя – пероксида водорода. По мнению учёных, новый подход позволит осуществить 3D-печать полностью функциональных живых тканей.

3D-печать на основе гелей открывает пути решения одной из проблем применения в медицине стволовых клеток – их выращивание. Современные способы выращивания стволовых клеток используют технологию 2D-поверхностей. Для этого требуется очень много места, потому процесс получается не просто технически сложным, но и весьма затратным. Естественно, тут на ум приходит выращивать стволовые клетки не на двумерной плоскости, а в трёхмерном пространстве. Но к тому надо найти среду, в которой стволовые клетки могли бы делиться, не теряя свои регенеративные свойства. Решение было предложено сотрудниками Стэнфордского университета – им удалось создать гель, позволяющий стволовым клеткам расти в трёхмерном пространстве, а не в одной плоскости.

Новый 3D-гель даёт возможность стволовым клеткам взаимодействовать с окружающей их средой, при этом оставаясь в контакте друг с другом. Контакт между клетками крайне важен, так как без него они быстро теряют свои регенеративные свойства и становятся непригодными для использования в лечении. Кроме того, новый способ выращивания клеток требует ощутимо меньше питательных веществ и энергии.

«Для выращивания 3D-культуры нам нужно лабораторное пространство всего 16 квадратных дюймов. Для сравнения: 2D-культивирование того же количества стволовых клеток отняло бы у нас пространство в 16 квадратных футов. Разница более чем в 100 раз. Впечатляет, не правда ли?», – поделился с прессой главный автор исследования Крис Мадл, доктор биоинженерии в лаборатории Хэйлшорн при Стэнфорде.

Новая технология была опробована исключительно на нейронных стволовых клетках, которые пригодны для лечения повреждённого спинного мозга или, например, болезни Паркинсона. В будущем учёные планируют протестировать свою методику и на других видах стволовых клеток.

Несмотря на все успехи 3D-печати, которая позволяет использовать в качестве «чернил» даже живые клетки, формирование сложно структурированных тканей и органов пока остаётся задачей будущего. Заметный шаг к этому сделали учёные Калифорнийского университета в Дэвисе. Профессор Ричард Шнайдер и его команда научились распечатывать фрагменты соединительной ткани произвольной конфигурации, используя метод ДНК-направляемого соединения клеток (DNA-Programmed Assembly of Cells, DPAC). Нужную форму такая структура приобретает благодаря механическим свойствам самих клеток – в данном случае благодаря соединительной ткани мезенхимы, полученной у эмбрионов мышей, хотя в принципе в этой роли могут выступить и другие «механически активные» клетки, способные к образованию устойчивых связей друг с другом.

Основу структуры обеспечил коллагеновый гель, аналогичный естественному внеклеточному матриксу. Точная 3D-печать DPAC позволила наносить на неё клетки с высокой точностью, в несколько слоёв, так, что в одном слое они стремились стянуться ближе друг к другу, а в другом – разойтись. Учёные показали, что, контролируя это поведение, можно заставить структуру свернуться или выгнуться, сложиться гармошкой и вообще образовать нужную форму. Авторы надеются, что этот подход откроет возможности 3D-печати уже полноценных фрагментов сложных тканей и органов.

Тем более что уже сейчас:

- В Корнельском университете с помощью 3D-принтера учёные напечатали искусственное ухо из коллагена и культуры клеток.

- Британские дантисты вырастили первый зуб из стволовых и альвеолярных клеток.

- Учёные из Центрального госпиталя Массачусетса успешно пересадили живой крысе почку, выращенную из стволовых клеток на соединительном тканном каркасе от трупного донора.

- Японские учёные вырастили из стволовых клеток рабочую печень и успешно пересадили её живой мыши.

- В США микрохирурги пересадили человеку биоинженерные вены в руку.

Это только то, что сегодня на слуху, а что выйдет из лабораторий завтра – одним разработчикам известно. Ясно одно – 3D-печать открывает перед медициной такие возможности, которые до сей поры были лишь в ведении творца мира сего. Усилиями учёных и инженеров мы приблизились к его возможностям. Что будет завтра, зависит от нас. В первую очередь от потребителей – если смогут они морально и материально принять новые медицинские технологии, то за ними и все остальные двинутся: инвесторы – с деньгами, правительства – с программами, учёные – с новыми идеями, инженеры – с техническими воплощениями.

1.1.3 4D-печать

На волне 3D-печати в лаборатории учёных и конструкторские бюро инженеров вошли технологии 4D-печати. Обычно под 4D подразумевают четырёхмерное пространство, в котором существуют четырёхмерные объекты. Несколько лет назад термин 4D стали использовать для обозначения особой технологии печати предметов, меняющих свои характеристики с течением времени. Таким образом, в 4D-печати «четвёртым» называют не измерение, а параметр, с которым связано положение и функция объекта. Технологии 4D-принтера вряд ли можно назвать революционными по сравнению с обычной 3D-печатью – объект точно также создаётся слой за слоем. Самое интересное происходит потом, когда готовый предмет начинает меняться. И здесь всё зависит от того, какой материал используется в принтере. Специальные материалы изменяются под воздействием воды, тепла, света, механического воздействия, а также могут быть запрограммированы на определённые действия.