Трёхмерная биопечать
Трёхмерная биопечать или 3D-биопечать, 3D-биопринтинг — технология, использующая послойное наращивание и синтез для создания объектов, содержащих живые клетки, с целью имитации поведения и структуры биологических тканей. Она объединяет методы клеточной инженерии, материаловедения, молекулярной биологии и химии. Позволяет создавать ткани для трансплантации, применяемые в медицине и тканевой инженерии для регенерации костей, кожи, сосудов и других органов. В будущем она может решить проблему дефицита донорских органов, потенциально обеспечивая печать сложных органов, таких как сердце, почки и печень[1][2].
История и технология
В 2000 году начались первые эксперименты по трёхмерной печати биологических тканей. Биоинженер Томас Боланд использовал модифицированные принтеры Lexmark и HP для создания фрагментов ДНК, выбрав модели с широким соплом для защиты клеток. Необходимые изменения коснулись программного обеспечения для контроля температуры и вязкости «чернил». Запатентованная в 2003 году технология постоянно совершенствуется, появляются новые методы биопечати[3].
Существует три основных типа биопринтеров. Наиболее распространённый — струйный, использующий биоматериал с клетками вместо чернил и гель вместо бумаги. Он отличается простотой, невысокой ценой, производительностью и высоким качеством печати, позволяя регулировать концентрацию клеток для плавного перехода между слоями. Несмотря на совместимость со многими материалами и высокую выживаемость клеток, струйная печать ограничена двухмерностью. Биопринтеры с микроэкструзией печатают объёмные структуры, распределяя материал по трём осям. Они совместимы с гидрогелями, биосовместимыми полимерами и сфероидами. Их недостатком является низкая выживаемость клеток по сравнению со струйными принтерами, независимо от метода подачи материала (механического или пневматического)[3][4].
Технология лазерной биопечати, изначально разработанная для обработки металлов, была адаптирована для работы с биоматериалами. Процесс основан на использовании лазерных лучей для переноса биоматериала (клеток и гидрогеля) с одной подложки на другую, содержащую лазер-поглощающий слой. Метод обеспечивает высокую выживаемость клеток, но требует быстрого гелеобразования и может оставлять металлические следы в итоговой структуре. Полученные структуры проходят этап созревания (до нескольких недель) в специальной среде для стабилизации клеток перед пересадкой. Этот этап исключается при прямой печати коллагеном на повреждённую область[3][4].
В 2022 году впервые был успешно пересажен человеку 3D-печатный орган. 20-летней пациентке с врождённым дефектом уха (микротией) был имплантирован новый хрящ, созданный из её собственных клеток и тканей компанией 3DBio Therapeutics с помощью биопринтера. Процесс печати занял менее 10 минут, в отличие от традиционных методов, использующих рёберные хрящи. Имплантат, помещённый под кожу, регенерирует хрящевую ткань, обеспечивая естественный вид и минимальный риск отторжения. Аналогичные операции проведены ещё у десяти пациентов, и результаты будут наблюдаться в течение пяти лет. Имплантат уха носит преимущественно косметический характер, это событие стало значимым в биопечати, открывая перспективы для создания носов, межпозвоночных дисков и менисков[3].
В 2023 году в Институте регенеративной медицины была запущена первая в России образовательная программа по 3D-биопечати в рамках проекта «Приоритет-2030», ориентированная на подготовку специалистов из различных областей медицины и биотехнологий. Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова и китайские партнёры создали две совместные лаборатории биопечати и регенеративной медицины, планируя применять совместные разработки в травматологии и онкологической хирургии головы и шеи[5][6].
Применение
Медицина
Биопечать открывает новые возможности для фармакологии и медицинских исследований. Биопечатные ткани, воспроизводящие клеточный состав и архитектуру реальных тканей, позволяют изучать заболевания, их прогрессирование и эффективность лечения в естественных условиях. В 2016 году в Центре ARC был создан «настольный мозг» — шестислойная 3D-печатная структура из нервных клеток, имитирующей мозговую ткань. Это позволяет тестировать препараты на модели, точно отражающей реакцию человеческого мозга, в отличие от животных моделей. «Настольный мозг» также перспективен для исследования таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и шизофрения[6].
Космос
В конце 2018 года на МКС был доставлен магнитный биопринтер «Орган. Авт», где космонавт Олег Кононенко впервые в истории провёл биопечать аналогов мышиной щитовидной железы и человеческой хрящевой ткани. Весной 2024 года эксперимент «Магнитная биофабрикация», в котором участвовали Олег Кононенко и Марина Василевская, успешно создал на орбите эквивалент трубчатых биоинженерных конструкций. Эта технология открывает перспективы для создания на орбите аналогов полых органов, таких как сосуды и мочеточник. Испытания проводились при поддержке «Роскосмоса», РКК «Энергия», ЦНИИмаш, Центра подготовки космонавтов и организации «Агат» под руководством Фёдора Сенатова. В основе эксперимента 3D Bioprinting Solutions лежали пластины из нового металлополимерного материала с памятью формы, покрытые клеточным материалом. При комнатной температуре пластины были плоскими, но под воздействием магнитного поля и нагрева до 36 °C на орбите, они свернулись в трубчатые структуры заданных размеров. Полученные конструкции были зафиксированы и отправлены на Землю для анализа. Это был первый эксперимент с такими материалами в условиях микрогравитации[5].
Примечания
- ↑ Кокорина Е. Печать живыми клетками: что такое биопринтинг и как с этой технологией работают в ИТМО. Итмо (11 января 2023). Дата обращения: 15 сентября 2025.
- ↑ Миронов В. 3D-биопринтинг. Postnauka (5 июля 2019). Дата обращения: 15 сентября 2025.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 Апазиди Е. Ученые научились печатать органы на принтере. Почему эта технология спасет сотни тысяч людей по всему миру?. Лента (17 марта 2023). Дата обращения: 15 сентября 2025.
- ↑ 4,0 4,1 Абассов И. Б. Некоторые современные технологии трёхмерной биопечати органов. Киберленинка (2023). Дата обращения: 15 сентября 2025.
- ↑ 5,0 5,1 Чехонин В. П. Здоровье на 3D-принтере: как развивается биопечать в России. Научная Россия (24 июля 2024). Дата обращения: 15 сентября 2025.
- ↑ 6,0 6,1 Алейник Н. Печать органов: как продвинулись технологии 3D-биопринтинга и что мешает их развитию. Rb (12 ноября 2019). Дата обращения: 15 сентября 2025.