У жовтні цього року на Міжнародну космічну станцію відправиться магнітний біопринтер, який в умовах невагомості виготовить кілька конструктів щитовидки і хрящів. Здавалося б, кого сьогодні може здивувати 3D-друк: їздить туди-сюди друкуюча головка і шар за шаром акуратно перетворює тривимірну модель на відчутний об'єкт. На жаль, післяйне моделювання годиться тільки для Землі, а варто потрапити в невагомість, як ця технологія стає практично марною. Причому неважливо, чим ви друкуєте: пластиком, живими клітинами, глиною, шоколадом, чаєм або навіть склом, - ваші чорнило, швидше за все, зберуться в єдиний ком, що висить на екструдері.
Щоб зрозуміти, як же все-таки можлива тривимірна біопікувати в умовах мікрогравітації, ми вирушили в 3D Bioprinting Solutions - це дочірня компанія всім відомою «Інвітро», і саме тут створений «Орган.Авт» - пристрій, який вже цієї осені відправиться на МКС і стане першим космічним магнітним біопринтером.
3D Bioprinting Solutions 2013 року заснував Олександр Островський, власник «Інвітро». Компанія спеціалізується на розробці технологій тривимірної біопечаті і в майбутньому планує дійти до випробувань - в буквальному сенсі лагодити пошкоджені тканини прямо в живому організмі.
Варто відразу обмовитися, що мова все-таки ще не йде про друк повноцінних органів - у них часто дуже складна структура і технологічно до такого рівня ми поки не дійшли. Замість цього сучасний 3D-біопринтер створює конструкт - фактично, це об'єкт з клітин одного типу, які якийсь час живуть єдиним «шматком» і навіть працюють. Конструкти підходять для того, щоб відпрацьовувати технології створення багатоклітинних об'єктів і вивчати, як себе ведуть окремі клітини.
Перший принтер, створений фахівцями 3D Bioprinting Solutions, називався FABION - це пристрій, який виглядає, як звичайний 3D-принтер, але насправді він набагато складніше і може друкувати гідрогелем і тканинними сфероїдами, про які ми розповімо трохи нижче. За допомогою цього принтера дослідники надрукували конструкт щитовидної залози миші, який потім підсадили тварині - конструкт прижився і навіть почав працювати як справжня щитовидка.
Незважаючи на успішний експеримент, у такого підходу є і мінуси - друк все-таки йде не тільки клітинами, в якості несучої маси використовується гідрогель, що не завжди зручно. До того ж використання додаткової речовини як основи для друку знижує концентрацію клітин у конструкті. У цьому випадку «зайва» речовина після друку просто заважає клітинній культурі - клітини гірше взаємодіють один з одним.
Тут на допомогу вченим прийшли тканинні сфероїди - це конгломерати клітин діаметром в пару сотень мікрометрів, які в такому вигляді можна використовувати в якості сировини як для аддитивного (післяйного) виробництва, так і для формативного - коли об'єкт формується відразу з усіх боків.
Щоб отримати тканинні сфероїди, клітини вирощують не в чашках Петрі, а в спеціальних планшетах, в яких розташовані напівсферичні комірки з неадгезивною поверхнею. Клітини, розростаючись в таких лунках, не можуть рости просто плоским бліном і в результаті налипають один на одного, перетворюючись на невеликі грудочки, в кожному з яких від чотирьох до восьми тисяч живих клітин.
Тканинними сфероїдами сьогодні друкують всього кілька принтерів у світі, і одним з них став FABION 2 - доопрацьована версія першого принтера 3D Bioprinting Solutions. Щоб сфероїди не злипалися всередині принтера і не забивали сопло, була розроблена спеціальна турнікетна друкуюча головка, яка фізично перегороджує шлях зайвим сфероїдам і дозволяє подавати їх на вихід поштучно.
FABION 2 досі використовується в лабораторії, в ньому встановлено шість друкуючих головок (одна сфероїдна, два шприци для друку гідрогелями, спрей для полімеризації і префлоу-головка для складних матеріалів, які потрібно змішувати зі складових безпосередньо при друку). Тим не менш, це як і раніше аддитивна технологія виробництва - конструкт друкується післяйно, що підходить тільки для звичних нам земних умов (звичайно, насправді є способи реалізувати післяйну печатку в невагомості, але вони призводять до ускладнення процесу друку).
Упругість тканинних сфероїдів перевіряють спеціальними «лещатами», які контрольовано стискають кульку з клітин
Артемій Григор'єв
«Орган.Авт» - саме так називається пристрій, який допоміг 3D Bioprinting Solutions перейти від аддитивних технологій до формативних. Це принципово інший підхід до створення об'єктів з живих клітин - не потрібні друкуючі головки і підтримуючі конструкції навколо створюваного об'єкта. 3D-біопринтер не нарощує конструкт післяйно, а формує його з тканинних сфероїдів відразу з усіх боків за допомогою технології магнітної левітації. По суті, це коробка з магнітами, в яку вставляється кювета з тканинними сфероїдами, що плавають в гідрогелі. Перед початком роботи в кювету впорскується парамагнетик, який зазвичай використовується як контраст в магнітно-резонансній томографії, після чого включаються магніти і парамагнетик за 30 секунд виштовхує всі сфероїди в центр кювети.
Перший прототип «Орган.Авт» сам був надрукований з пластику на звичайному 3D-принтері і розрахований всього на одну кювету. На МКС же відправиться остання версія біопринтера, яка працює з шістьма кюветами одночасно, в ньому передбачено підсвічування і навіть є оглядові віконця, в які вставляються камери GoPro.
У липні представники 3D Bioprinting Solutions провели в Зоряному містечку навчання космонавтів в ході двох лекцій і двох практичних занять, а вже 11 жовтня «Орган.Авт» і набір експериментальних кювет відправляться на орбіту. Всередині кювет будуть тканинні сфероїди, зафіксовані за допомогою спеціального гелю, який застигає при нагріванні і розріджується при кімнатній температурі.
На станції космонавти за допомогою «Орган.Авт» сформують конструкти хряща і щитовидної залози - після включення біопринтера його поставлять в інкубатор, щоб стягнуті в центр сфероїди зрослися один з одним і дозріли до стану єдиного конструкту. Потім у кювети впорснуть формальдегід і наприкінці жовтня відправлять назад на Землю для вивчення в лабораторії. Сам «Орган.Авт» залишиться на МКС, і його надалі зможуть використовувати для своїх експериментів і інші дослідницькі організації.
Фахівці 3D Bioprinting Solutions також експериментують з акустичною левітацією і в перспективі планують поєднати цю технологію з магнітною біодруком
Артемій Григор'єв