Биопечать органов и тканей

Биопечать послойно укладывает живые клетки вместе с гидрогелевым носителем в заданную геометрию. Метод достаточно зрел, чтобы интересные ограничения перестали относиться к оборудованию. Они относятся к материалу и прежде всего к снабжению.

Биочернила — это конфликт, а не рецептура#

Печатаемые чернила обязаны держать форму сразу после выхода из сопла; дружественный к клеткам матрикс обязан быть мягким и податливым к перестройке настолько, чтобы клетки могли мигрировать, распластываться и укладывать собственный внеклеточный матрикс. Эти требования тянут один и тот же параметр в разные стороны. Повысить плотность сшивки ради точности — и сетка станет слишком тесной для движения клеток; понизить ради биологии — и конструкт осядет. Обычный выход — тиксотропный гель, текущий под давлением в сопле и мгновенно восстанавливающийся после, либо печать в поддерживающую ванну из микрочастиц с пределом текучести, которая удерживает мягкий материал до сшивки.

Экструзия берёт собственную плату. Проходя через тонкое сопло, клетки испытывают сдвиговое напряжение и повреждение мембраны, и выживаемость падает по мере уменьшения диаметра сопла: разрешение оплачивается гибелью клеток. Второй разрыв — плотность. Нативная ткань упакована примерно до 10⁸ клеток на миллилитр, тогда как типичные биочернила на один-два порядка ниже, а разрежённо напечатанный конструкт не становится плотным просто оттого, что его культивируют.

Тот же диффузионный потолок, другое следствие#

Ткань без перфузии питается диффузией, и кислород заканчивается на расстоянии порядка сотни–нескольких сотен микрометров от источника — это ограничение разобрано в статье о культивируемом мясе. В пищевом применении вокруг этого числа можно спроектировать продукт: фарш и тонкие слои вполне законны. Клинический конструкт такой размен совершить не может, потому что весь его смысл — в толщине и функции.

Значит, печать органа есть задача о водопроводе. Жертвенные шаблоны — углеводное стекло или гель плюроника, напечатанные внутри конструкта и затем вымытые, — надёжно оставляют открытые перфузируемые каналы. Но минимальный печатаемый элемент — сотни микрометров, а капилляр тоньше десяти. Капиллярное русло не разрешает ни один принтер, и рабочее допущение в том, что и не должен: эндотелиальные клетки высевают и дают им собрать микрососуды самостоятельно, ангиогенезом, а напечатанные каналы служат лишь артериальными и венозными стволами.

Даже безупречную сеть требуется соединить с пациентом. Для этого нужны сосуды с прочностью на разрыв и удержанием шва, достаточными, чтобы пережить анастомоз, и эндотелий, сплошной и покоящийся настолько, чтобы не запускать тромбоз при пульсирующем потоке: перфузируемый конструкт чаще всего губит именно свёртывание, а не некроз. Затем конструкт неделями держат в биореакторе в стерильных условиях, и собран он должен быть из клеток, которые реципиент не отторгнет, — а аутологичный маршрут означает отдельное производство под каждого пациента.

Всё это не касается приложения, которое уже работает. Напечатанные тканевые модели — печень, кожа, опухолевые конструкты толщиной в несколько сотен микрометров — спокойно укладываются в диффузионный предел и полезны в фармакологии сегодня. Разрыв между ними и трансплантируемым цельным органом сосудистый, а не геометрический.