Биоджет — струйные принтеры Hewlett-Packard¶

Биоджет (англ. biojet) — обобщающее название технологий и устройств струйной печати, предназначенных для дозированного нанесения биологических материалов: клеток, белков, нуклеиновых кислот, питательных сред и гидрогелей. В основе лежит принцип, аналогичный работе обычного струйного принтера: жидкость выдавливается через микросопло и формирует капли объёмом от единиц пиколитров, которые послойно укладываются на подложку. Термин не является строго научным и в разных контекстах обозначает либо класс биопринтеров, либо конкретные аппаратные платформы, либо программно-аппаратные решения для биопечати.

¶Происхождение понятия

Название образовано от слов «био» и «джет» (от англ. jet — струя, реактивная струя). Оно возникло по аналогии с торговыми обозначениями струйных принтеров (DeskJet, InkJet) и закрепилось в научной литературе в 2000-х годах, когда методы струйной печати начали применяться для работы с живыми клетками.

Одной из первых платформ, получивших широкую известность под этим названием, стала серия струйных биопринтеров, разработанных на базе офисных печатающих головок Hewlett-Packard. В 2000-х годах исследовательские группы в США и Европе адаптировали стандартные термоструйные и пьезоэлектрические головки для дозирования клеточных суспензий. Это позволило существенно снизить стоимость устройств по сравнению со специализированными биопринтерами.

¶Принцип работы

Основу биоджета составляет печатающая головка с массивом микросопел диаметром от 20 до 80 микрометров. Существуют два основных физических механизма выброса капли:

• Термоструйный (пузырьковый). Микронагреватель за доли микросекунды нагревает жидкость до 200–300 °C, образуется паровой пузырь, который выталкивает каплю. Нагрев локализован и длится крайне недолго, поэтому большая часть клеток выживает, однако термочувствительные линии могут повреждаться.
• Пьезоэлектрический. Пьезокристалл деформируется под действием напряжения и механически выталкивает каплю. Метод мягче по отношению к биоматериалу, но сложнее в изготовлении.

Капли формируются с частотой от единиц до десятков килогерц, что обеспечивает высокую производительность. Точность позиционирования сопоставима с офисной печатью и составляет десятки микрометров.

¶Материалы и «чернила»

В качестве биочернил (биочернил, англ. bioink) используются:

• клеточные суспензии — стволовые, эндотелиальные, фибробласты, кардиомиоциты;
• растворы белков, коллагена, фибрина, альгината, желатина;
• гидрогели, отверждаемые температурой, светом или химическими сшивателями;
• ростовые факторы и питательные среды.

Ключевое требование — сохранение жизнеспособности клеток после прохождения через сопло. Вязкость, поверхностное натяжение и концентрация клеток подбираются индивидуально, поскольку слишком густая суспензия забивает головку, а слишком жидкая даёт нестабильные капли.

¶Применение

Струйная биопечать применяется в нескольких направлениях:

• Тканевая инженерия. Послойное формирование трёхмерных конструктов кожи, хряща, кровеносных сосудов и участков печени.
• Исследования in vitro. Создание моделей опухолей, тканевых сфероидов и микрофизиологических систем для испытания лекарств.
• Биосенсорика. Нанесение ферментов, антител и ДНК на поверхности чипов и электродов.
• Персонализированная медицина. Печать тестовых образцов на основе клеток конкретного пациента.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам биоджета относят высокую скорость, малый расход дорогостоящих реагентов, точность и относительно низкую стоимость оборудования, поскольку используются серийные печатающие головки. Метод позволяет работать с единичными клетками и создавать градиенты концентраций.

Ограничения связаны с физическим стрессом для клеток, риском засорения сопел, ограниченной вязкостью материалов и невозможностью напрямую печатать плотные механически прочные ткани. Кроме того, послойная укладка требует последующего созревания конструкции в биореакторе.

¶Место среди технологий биопечати

Биоджет — не единственный подход к биопечати. Наряду с ним применяются:

• экструзионная биопечать — выдавливание непрерывной нити через сопло, подходит для вязких гидрогелей;
• лазерная биопечать — перенос клеток с помощью лазерного импульса, обеспечивает высокую точность;
• стереолитографическая биопечать — отверждение светочувствительного материала.

Струйный метод занимает промежуточное положение: он быстрее экструзионного и дешевле лазерного, но уступает им по плотности получаемых конструкций.

¶Развитие в России

В России исследования в области струйной и лазерной биопечати ведутся в ряде академических институтов и университетов. Работы охватывают создание тканеинженерных конструкций, моделей для фармакологических испытаний и биосенсоров. Развитие направления связано с общим ростом интереса к регенеративной медицине и аддитивным технологиям.

¶Перспективы

Основные направления развития — повышение жизнеспособности клеток, создание многокомпонентных головок для одновременной печати разными материалами, интеграция с системами автоматизированного культивирования и переход от плоских конструктов к полноценным васкуляризированным тканям. Отдельная задача — стандартизация биочернил, поскольку воспроизводимость результатов пока остаётся ограниченной.

Источники: обзоры по биопечати в рецензируемых журналах по биоматериалам и тканевой инженерии; публикации о струйных методах дозирования клеток; материалы конференций по аддитивным технологиям в медицине.