Экструзионная биопечать

Экструзионная биопечать — это технология аддитивного производства, в основе которой лежит послойное нанесение биоматериала (биочернил) через сопло экструдера для создания трёхмерных тканеинженерных конструкций. Данный метод является наиболее распространённым в области биопечати благодаря своей универсальности, относительно низкой стоимости и способности работать с широким спектром вязких материалов, включая гидрогели, клеточные суспензии и полимерные растворы.

История

Первые эксперименты по трёхмерной печати биологическими материалами начались в конце XX века, однако термин «экструзионная биопечать» закрепился в научном обороте в начале 2000-х годов. В 2003 году группа учёных под руководством Томаса Боланда (Университет Клемсона, США) продемонстрировала возможность печати живых клеток с использованием модифицированного струйного принтера. Однако именно экструзионный метод, адаптированный из промышленной 3D-печати пластиком, стал доминирующим к 2010-м годам.

В 2014 году российские исследователи из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино) впервые в России напечатали фрагмент щитовидной железы мыши, используя экструзионную биопечать. В 2018 году компания «3D Bioprinting Solutions» (Москва) провела эксперимент по биопечати тканей на борту Международной космической станции, что подтвердило применимость метода в условиях микрогравитации.

Принцип работы

Экструзионная биопечать основана на механическом или пневматическом выдавливании биочернил через сопло, которое перемещается по трём осям (X, Y, Z) в соответствии с цифровой моделью. Процесс включает несколько этапов:

1. Подготовка биочернил — смешивание полимерного гидрогеля (например, желатина, альгината натрия, фибрина) с живыми клетками, факторами роста и другими биологически активными веществами.
2. Загрузка в картридж — биочернила помещаются в шприц-дозатор, соединённый с соплом диаметром от 100 до 500 микрометров.
3. Печать — под действием давления (пневматического или поршневого) материал выдавливается на платформу, формируя слой за слоем. После завершения каждого слоя платформа опускается на толщину слоя (обычно 100–300 мкм).
4. Сшивание — после печати конструкция подвергается физическому (УФ-излучение, температура) или химическому (ионы кальция, глутаральдегид) сшиванию для придания механической прочности.
5. Культивирование — напечатанный конструкт помещается в биореактор, где клетки размножаются и формируют внеклеточный матрикс.

Виды экструзионной биопечати

По типу привода

• Пневматическая экструзия — материал выдавливается сжатым воздухом или инертным газом. Обеспечивает плавную подачу, но требует точного контроля давления.
• Поршневая экструзия — механическое перемещение поршня через шаговый двигатель. Позволяет работать с более вязкими материалами, но может создавать пульсации.
• Винтовая экструзия — вращение шнека внутри цилиндра. Используется для высоковязких паст (например, керамических гидрогелей), но сложна в стерилизации.

По типу сопла

• Односопельные — стандартные системы с одним экструдером, печатающие одним типом биочернил.
• Многосопельные — несколько сопел, работающих одновременно или последовательно, позволяют создавать градиенты состава (например, разные типы клеток в разных зонах).
• Коаксиальные — сопло с внутренним и внешним каналами, формирующее полые волокна (например, для печати кровеносных сосудов).

Материалы для экструзионной биопечати

Основным требованием к биочернилам является совместимость с живыми клетками (цитосовместимость) и способность к гелеобразованию после печати. Наиболее распространённые материалы:

• Альгинат натрия — природный полисахарид из бурых водорослей, сшивается ионами кальция. Низкая стоимость, но слабая механическая прочность.
• Желатин — денатурированный коллаген, термообратимый (гель при температуре ниже 30°C). Часто используется в смеси с альгинатом.
• Гиалуроновая кислота — компонент внеклеточного матрикса, улучшает выживаемость клеток.
• Поликапролактон (PCL) — синтетический полимер, используется для создания каркасов (скаффолдов) с последующим заселением клетками.
• Фибриновый гидрогель — на основе фибрина и тромбина, имитирует естественный сгусток крови.

Применение

Тканевая инженерия

Экструзионная биопечать применяется для создания заместителей тканей и органов. В России ведутся разработки по печати кожных лоскутов для лечения ожогов (Институт хирургии им. А.В. Вишневского), хрящевой ткани (МГУ им. М.В. Ломоносова) и костных имплантатов (Сколковский институт науки и технологий).

Фармакология

Напечатанные трёхмерные модели тканей используются для тестирования лекарственных препаратов, что позволяет снизить количество экспериментов на животных. Например, в 2022 году группа учёных из Первого МГМУ им. И.М. Сеченова напечатала модель печени для оценки гепатотоксичности.

Персонализированная медицина

Биопечать позволяет создавать имплантаты, точно соответствующие анатомии пациента, на основе данных МРТ или КТ. В 2020 году в НМИЦ травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова (Москва) был впервые имплантирован пациенту напечатанный фрагмент челюсти.

Космическая биология

Экструзионная биопечать в условиях микрогравитации изучается для обеспечения медицинской помощи в длительных космических миссиях. Эксперименты на МКС показали, что отсутствие гравитации не препятствует формированию трёхмерных конструкций, но требует адаптации реологических свойств биочернил.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность печати высоковязких материалов (до 10⁶ мПа·с).
• Совместимость с широким спектром клеток (стволовые, дифференцированные, раковые).
• Относительно высокая скорость печати (до 10 см³/ч).
• Низкая стоимость оборудования по сравнению с лазерными или струйными методами.

Недостатки

• Низкое разрешение (минимальный размер элемента 100–200 мкм) по сравнению с двухфотонной литографией.
• Механическое воздействие на клетки при выдавливании (сдвиговые напряжения) может снижать их жизнеспособность до 70–90%.
• Ограниченная механическая прочность напечатанных конструкций без дополнительного сшивания.
• Трудности с печатью крупных органов (более 1 см³) из-за необходимости создания сосудистой сети.

Перспективы развития

Основные направления совершенствования экструзионной биопечати включают:

• Разработку биочернил с улучшенной реологией и биосовместимостью.
• Интеграцию с микрофлюидными системами для создания капиллярной сети.
• Использование искусственного интеллекта для оптимизации траекторий печати и подбора параметров.
• Создание гибридных принтеров, сочетающих экструзию с электроспиннингом или лазерной абляцией.

В 2023 году российская компания «Биопринтинг Солюшенс» анонсировала проект по печати функционального фрагмента щитовидной железы человека для клинических испытаний, запланированных на 2025–2026 годы.

Источники

• Murphy S. V., Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs // Nature Biotechnology. — 2014. — Vol. 32, № 8. — P. 773–785.
• Ozbolat I. T., Hospodiuk M. Current advances and future perspectives in extrusion-based bioprinting // Biomaterials. — 2016. — Vol. 76. — P. 321–343.
• Гурьев А. В., Смирнов И. В. Экструзионная биопечать: современное состояние и перспективы // Вестник Российской академии наук. — 2021. — Т. 91, № 5. — С. 432–441.
• Патент РФ № 2678945 «Способ экструзионной биопечати тканеинженерных конструкций». — 2019.
• Отчёт о научно-исследовательской работе «Разработка технологии биопечати органов и тканей в условиях микрогравитации» (АО «3D Bioprinting Solutions», 2018).