Биопечать объяснена: как 3D-печать создает живые ткани и будущие органы

Годами идея печати живых тканей 3D-принтерами пленяла ученых и медиа. Биопечать — использование аддитивного производства для построения функциональных биологических структур — это передовая технология, которая может трансформировать медицинские исследования и трансплантацию.

В отличие от обычной 3D-печати, которая депонирует пластик или металлические порошки, биопечать слоисты живые клетки. Результат — ткань, которую можно культивировать, тестировать или даже трансплантировать. В долгосрочной перспективе технология обещает органы, напечатанные из собственных клеток пациента, драматически снижая риск отторжения.

Биопечать следует той же слой-за-слоем логике, что и другие 3D-принтеры, но материалы и процессы существенно отличаются, потому что они вовлечены живую биологию. Ниже мы разбиваем основные шаги и ключевых игроков в области.

Как это работает?

Каждый биопечатающий проект начинается с 3D-модели целевой структуры. Эта модель получена из КТ или МРТ скана пациента, или спроектирована с нуля в CAD софте. Модель затем транслируется в печатаемый формат, определяющий тканевую архитектуру.

Далее, соответствующие клетки собираются — идеально из собственной ткани пациента — для поддержания совместимости. Эти клетки суспендированы в специализированной, кислородно-богатой среде, известной как биочернила. Биочернила могут варьироваться в вязкости и композиции, позволяя печатать разные типы клеток вместе.

Поскольку живые клетки нуждаются в скелетной структуре для роста, биопринтеры часто используют мультиматериальные головы. Скелет, типично коллаген или желатин-базированные биочернила, обеспечивает структурную поддержку пока клетки дифференцируются и зреют.

Несколько печатающих технологий используются: 잉кджет-стайл сопла для высокоразрешающей депонировки, экструзионные системы для робастных конструкций, и стереолитографию для точной геометрии. Независимо от метода, принтер строит ткань слой за слоем до завершения всей 3D-модели.

После печати конструкция требует постобработки для продвижения клетка-клетка интеграции. Механические или химические сигналы, часто доставляемые через биореактор, стимулируют ремоделирование и васкуляризацию — рост кровеносных сосудов — существенные для функциональной ткани.

Для лаконичного визуального прохода, посмотрите сопровождающее видео ниже.

Пионеры и индустриальные лидеры

Первый функциональный биопринтер был анонсирован профессором Макото Накамурой из Университета Тойама, который напечатал трубчатую структуру, напоминающую кровеносный сосуд, используя модифицированный 잉кджет-принтер Epson. Работа Накамуры заложила фундамент для современных биопечатающих исследований.

Organovo, в партнерстве с Invetech, коммерциализировала NovoGen MMX — мульти-головной биопринтер, отдельно депонирующий кардиальные клетки, эндотелиальные клетки и коллагеновый скелет для построения сложных тканей.

Военные США также тяжело инвестировали, основав Институт регенеративной медицины вооруженных сил (AFIRM) в 2008 для исследования полевых применений для раненых солдат.

В Германии Институт Fraunhofer продвигает печать целых органов и коллаборирует с проектом ArtiVasc 3D для фабрикации васкуляризованных тканей, имитирующих естественное кровоснабжение.

Шведская компания Cellink лидирует в разработке биочернил, предлагая широкий каталог проприетарных чернил и принтеры, их использующие.

Что дальше?

Путь биопечати зеркалит ранние стадии аддитивного производства: инкрементальные успехи в нишевых приложениях павут путь для более широкого принятия. По мере зрелости технологии, стандартизированные процессы, регуляторные рамки и масштабируемое производство разблокируют ее полный потенциал в клинических и исследовательских настройках.

Хотя путь вперед сложен, обещание кастомных, пациент-специфических органов и сниженного тестирования на животных — мощный стимул для продолжающих инвестиций и инноваций.