Биопринтинг

Биопринтинг — это направление аддитивных технологий (АТ), которое использует 3 D -печать для создания биологических структур: тканей, органов или их моделей. Он сочетает инженерные методы с биологией, открывая путь к персонализированной медицине и исследованиям. Рассмотрим материалы, технологии и ключевые приложения биопринтинга.

1. Материалы для биопринтинга

Биопринтинг требует биосовместимых материалов, способных поддерживать жизнь клеток. Используются как чистые вещества, так и их смеси:

Полимеры:

Гидрогели: Основа биопринтинга. Альгинат (из водорослей), желатин, коллаген, гиалуроновая кислота — мягкие, водосодержащие, имитируют внеклеточный матрикс.
Синтетические полимеры: PEG (полиэтиленгликоль), PCL (поликапролактон) — для прочности и долговечности (например, каркасы для костей).

Керамика:

Биоактивная керамика: Гидроксиапатит ( HAp ), трикальцийфосфат (TCP) — для печати костных структур, стимулируют регенерацию.

Металлы:

Титановые сплавы ( Ti -6Al -4V. чист титан): для имплантатов или каркасов с пористостью, совместимых с тканями.
Магниевые сплавы (ZX00, AZ31, AZ61) : биосовместимые и биорезорбируемые материалы с высокй прочностью.

Смеси:

Гидрогели с клетками (биочернила): Коллаген + фибробласты, альгинат + стволовые клетки.
Композиты: PCL + HAp — прочный каркас с биоактивностью для костей.
Гибриды: Ti -6Al -4V с гидрогелем — металл для опоры, полимер для клеток.

Материалы должны быть нетоксичными, поддерживать клеточную жизнеспособность и, иногда, разлагаться в теле.

2. Методы 3 D -печати для биопринтинга

Биопринтинг адаптирует технологии АТ под работу с живыми клетками:

Extrusion - Based Bioprinting ( EBB): Экструзия биочернил (гидрогели с клетками) через сопло. Используют альгинат, желатин. Простота, но низкая точность (±0,1 мм).
Inkjet Bioprinting : Капельная печать биочернил. Подходит для мягких гидрогелей (коллаген). Высокая скорость, точность ±0,05 мм.
Laser-Assisted Bioprinting (LAB): Лазер переносит клетки с гидрогелем на подложку. Для точных структур (сосуды), но дорого.
Stereolithography (SLA): Фотоотверждаемые гидрогели (PEG с клетками). Точность ±0,025 мм, сложные формы.
Экструзия материалов (MEX): PCL или PLA для каркасов, затем заселяются клетками. Не для прямой печати тканей.
Селектпное лазерное плавление (PBF): Ti-6Al-4V или HAp для костных имплантатов. Без живых клеток в процессе.

EBB и Inkjet — лидеры для тканей, SLA — для сложных каркасов, PBF — для твёрдых структур.

3. Актуальные примеры:

Биопринтинг уже применяется в медицине и исследованиях:

Кожа: В 2023 году Wake Forest Institute напечатал кожу (EBB, коллаген + кератиноциты) для ожоговых пациентов. Традиционно — пересадка, АТ — точное восстановление.
Хрящ: Университет Утрехта (2022) создал ушной хрящ (EBB, PCL + хондроциты). Форма идеально повторяет ухо пациента.
Кость: ETH Zurich (2023) напечатал костный имплантат (PBF, HAp + Ti -6Al -4V) с пористостью для роста ткани.
Сосуды: Harvard (2021) разработал сосудистую сеть (LAB, альгинат + эндотелиальные клетки) для искусственных органов.
Биочип: Organovo (2023) печатает ткани печени (Inkjet, желатин) для тестирования лекарств.

Эти примеры показывают прогресс: от каркасов к живым тканям.

4. Лаборатория на чипе или Орган на чипе...

Биопринтинг поддерживает создание миниатюрных биологических систем:

Лаборатория на чипе (Lab - on - a - Chip): Устройство размером с монету, где каналы и камеры (SLA, PEG) имитируют лабораторные процессы. Используется для анализа крови, ДНК или химических реакций. Пример: тест на COVID -19 за 15 минут (2022, MIT).
Орган на чипе (Organ - on - a - Chip): Микрофизиологическая модель органа на платформе (EBB, гидрогели + клетки). Воспроизводит функции печени, лёгких, сердца. Пример: Wyss Institute (2023) создал "лёгкое на чипе" для изучения лекарств от фиброза.

Такие "лаборатории" снижают затраты на исследования, заменяя опыты на животных.

5. Чем биопринтинг уникален

Персонализация: Имплантаты под пациента (традиционно — стандартные размеры).
Сложность: Сосуды или пористые кости невозможны литьём или фрезерованием.
Живые ткани: Печать клеток напрямую — вне досягаемости традиционных методов.

6. Пред- и постобработка

Предобработка: Стерильность (гидрогели фильтруют), жизнеспособность клеток (температура 37 °C), вязкость биочернил.
Постобработка: Инкубация (37 °C, 5% CO2) для роста клеток, удаление опор (SLA), сшивание гидрогелей (УФ или ионы Ca ²⁺).