Биопечать органов в космосе

Тканевый принтер на орбите работает на одном физическом изменении: всё находится в свободном падении, и гравитация перестаёт действовать на отпечаток как объёмная сила. Сами методы печати — биочернила, экструзия, клеточные гидрогели — принадлежат собственной странице этой вики; орбитальная обстановка меняет то, какие силы вообще остаются действовать на мягкую структуру, и ответ перестраивает и печать, и культивирование вокруг неё.

Что исчезает в невесомости

Пропадают два возмущения. Осаждение: при 1 g клетки и любая более плотная фаза тонут в своей среде, а отпечаток несёт собственный вес как гидростатическое напряжение порядка ста паскалей на сантиметр высоты — достаточно, чтобы низковязкие, насыщенные клетками биочернила расползлись за секунды; потому наземные принтеры и загущают чернила, печатают в поддерживающую ванну или ставят каркасы. Конвекция: в наземной культуре градиенты температуры и плотности непрерывно перемешивают жидкости. В свободном падении оба слагаемых уходят в ноль: мягкие чернила держат любую заданную геометрию, а клетки остаются там, где их положили. Не идеально: станция чувствует остаточные ускорения от движения экипажа и включений двигателей — на порядки меньше 1 g, но на нежных жидких границах уже не пренебрежимые. Тот же режим, на сосуд выше, кладёт на землю и орбитальную ферментацию: на странице космической биоэкономики показано, как потеря плавучести уносит барботажное аэрирование.

Что занимает их место: поверхностное натяжение

Когда объёмные силы уходят, капиллярность поднимается на вершину силового бюджета. Скачок давления на искривлённой границе воды равен удвоенному поверхностному натяжению, делённому на радиус, поэтому в канале шириной в сто микрометров он достигает килопаскалей — на порядок больше, чем гидростатическое напряжение сантиметра отпечатка на Земле. Смачивание, капиллярный подъём и термокапиллярные течения от градиентов испарения, на Земле лишь фоновые эффекты, становятся главными действующими лицами, которые двигают жидкости и переставляют клетки. Пузырьки перестают всплывать: они прилипают к стенкам, запирают каналы и не удаляются отбоем, так что дегазация из мелочи превращается в требование проекта.

Что не меняется: диффузионный предел

Невесомость убирает вес, но не расстояние. Кислород и питательные вещества попадают в толщу плотной конструкции диффузией в любом случае, и при расходе живыми клетками стационарная глубина проникновения в плотной ткани — доли миллиметра. Поэтому конструкции, достаточно толстой, чтобы быть полезной, нужна перфузия на орбите ровно так же, как на Земле, и недели культуры созревания, а не сама печать, остаются узким местом пропускной способности. Свободное падение меняет задачу формы; сосудистую задачу оно не трогает.

Радиация и обратный путь

Внутри станции ионизирующая доза в сотни раз выше космического фона на уровне моря. Для клеток, культивируемых неделями, это мутагенная нагрузка, последствия которой для печатных конструкций честно не охарактеризованы, — отчасти поэтому орбитальную ткань столько изучают. А физика, помогавшая при печати, на краях миссии становится враждебной: вибрация при запуске до, около четырёх g торможения после, и конструкция, не носившая никакой нагрузки при печати, обязана пережить и то и другое целой.