Рассказывает заведующий лабораторией ОИВТ, кандидат физико-математических наук Михаил Васильев:
- Сначала - о предмете исследований нашей лаборатории. Она изучает плазменно-пылевые структуры и их свойства. Пылевая плазма - ионизированный газ, содержащий пылинки (частицы микронных и субмикронных размеров твердого вещества). Межзвездные облака и туманности, короны звезд, хвосты комет и кольца планет состоят из сгустков плазмы или ионизированного газа, достигающих иногда температуры в десятки, сотни миллионов градусов. Ионосфера Земли, молнии, полярные сияния, пламя пожаров и костров - все это плазма. Присутствует она и во множестве технологических процессов, устройствах: термоядерных и плазмохимических реакторах, плазменных экранах, лампах и светильниках, при изготовлении чипов для микроэлектроники, композиционных материалов. Один из подходов к формированию структур из пылевых частиц - удержание их в магнитной ловушке. Этот способ применялся в космическом эксперименте “Кулоновский кристалл”, который проходил на борту Международной космической станции. Во время эксперимента на орбите космонавты исследовали формирование структур из макрочастиц графита под влиянием магнитного поля. Хорошо известно, что ферромагнитные материалы - железо, например - притягиваются магнитом, в то же время диамагнитные тела он отталкивает. Будущий нобелевский лауреат Александр Гейм в 1994 году проводил эксперименты, подвешивая лягушку в магнитном поле, за что удостоился шуточной Шнобелевской премии. Лягушка и другие биологические объекты являются диамагнетиками, поэтому могут удерживаться и левитировать (парить в пространстве) в магнитных полях.
Исследования формирования упорядоченных структур из заряженных диамагнитных макрочастиц в магнитной ловушке, поддержанные Российским научным фондом, позволили понять, как ведут себя в невесомости диамагнитные макрообъекты, и составить компьютерную модель их движения. Результаты космического эксперимента, проведенного ОИВТ, легли в основу разработки нового принтера, осуществляющего формирование трехмерных биологически объектов: тканей и органов методом самосборки.
Существуют три способа создания нового объекта. Первый - простое отсечение всего лишнего (от англ. disruptivetechnology, дословно – “разрушительная технология”). Метод, известный человеку, наверное, еще в каменном веке. Можно собрать конструкцию из отдельных блоков (как из кирпичиков построить здание) - это аддитивная технология, второй способ. И, наконец, третий, едва ли не самый передовой и востребованный сегодня в мире, основанный на технологии самосборки (от англ. self-assembly), когда из отдельных элементов, помещенных в определенные условия, формируется сложная структура. В качестве таких “кирпичиков” в новом биопринтере выступают агломераты клеток - сферы размером порядка одной десятой миллиметра. Из них в магнитном поле и формируется тканевый конструкт.
До недавнего времени для 3D-пе-чати тканей применялся некий каркас, на который слой за слоем наносили клетки. Затем его благополучно разбирали - так формировался биологический образец. Ученые из 3D Bioprinting Solutions провели эксперименты с эмбриональными клетками мышей, напечатали тканеинженерный конструкт щитовидной железы и успешно трансплантировали его мыши.
Наш метод самосборки, когда магнитное поле направляет клеточный материал в нужное место, уверен, самый совершенный и эффективный. Его преимущества в бóльшей скорости формирования конструкта, в отсутствии необходимости использования каркаса, жизнеспособности как отдельных клеточных агломератов, так и готовых тканей и органов. Дело ведь не только в том, чтобы собрать клетки вместе, но и в том, чтобы обеспечить их срастание и формирование в единую ткань.
На сегодняшний день напечатанные на МКС микроорганы можно рассматривать в качестве моделей для изучения космической радиации, других неблагоприятных явлений. Таким образом, ученые смогут проводить исследования не на образцах животных, а, воспользовавшись трехмерными живыми тканеинженерными конструкциями, созданными из клеток человека. В будущем появится возможность печатать самые разные органы. Если заглянуть лет на 10-20 вперед, когда в дальний космос, сначала на Луну, затем на Марс, отправятся пилотируемые корабли, то на их борту будут установлены биопринтеры. И случись что с космонавтом, даже если он получит травму, то эти удивительные устройства обеспечат пострадавшего “запчастями”. А на Земле медики откажутся от пересадки донорских органов и тем самым решат проблему отторжения имплантатов. Благодаря биопринтерам “запасные” органы можно будет производить из собственных стволовых клеток человека. Перспективный метод даст мощный толчок развитию регенеративной медицины. Скажем, при сильных ожогах, когда ткани повреждены на десятки процентов, 3D-печать поможет сформировать здоровые кожные покровы. Технология найдет широкое применение при замене костных тканей, хрящей, а также сосудов - это позволит упростить или вовсе избежать тяжелых операций.
Понятно, что в каждой клинике нет смысла устанавливать биопринтер. Хотя сам по себе он достаточно прост, однако метод магнитного удержания необыкновенно энергозатратный. Чтобы сформировать мощные магнитные поля с помощью электромагнитов, может потребоваться электростанция. Поэтому первый эксперимент проходил в космосе, где для удержания и сборки клеток при отсутствии силы тяжести достаточно применить магнитные поля на порядки меньшие, чем того требуется на Земле.
Статья о новом методе биопечати на 3D-принтере была опубликована в престижном научном журнале Biofabrication. Номер вышел в июле, однако первые отзывы и публикации в зарубежных СМИ о перспективной технологии уже появились.
