Есть компании, занимающиеся 3D-биопечатью, такие как Organovo и Rainbow Biosciences. И есть крупные исследовательские организации и университеты, которые делают большие прорывы в этой технологии, такие как Институт регенеративной медицины Уэйк Форест в Северной Каролине, Университет Хериот-Ватт в Шотландии и Институт межфазной инженерии и биотехнологии Фраунгофера в Германии. Но когда второкурсник колледжа, такой как Таннер Карден из Университета Алабамы, начинает заниматься биопечатью, вы начинаете чувствовать, что революция биопечати не так уж далека, как считалось ранее.
Карден и его коллега Девон Бейн разработали специальный экструдер для 3D-печати решеток из сахара, которые могут имитировать кровеносные сосуды. Устройство, первоначально называвшееся алюминиевым экструдером для быстрого производства безводных углеводов, получило более удобное для рта название CarmAl, относящееся к кондитерскому изделию, которое вдохновило экструдер. План состоит в том, чтобы напечатать раствор сахара на 3D-принтере заданной формы, поместить отпечаток в суспензию биоматериала и позволить клеткам расти вокруг структуры сахара. Затем можно применить растворитель, чтобы смыть сахар, оставив клеточную массу с сосудами. Карден описывает этот процесс: «Мы используем молекулы сахара в форме обратной 3D-печати. В этом процессе мы сначала создаем нужные структуры, а затем внедряем их в клеточную матрицу.”
Такой процесс, как и исследования в области биопечати, проводимые в других частях мира, позволил бы в краткосрочной перспективе проводить 3D-печатные анализы биоматериала для тестирования лекарств. В отличие от плоских клеточных образцов, напечатанные на 3D-принтере клетки способны выживать дольше, потому что они больше напоминают клетки в их естественной среде и могут питаться питательными веществами, поступающими из сосудов, для поддержания жизнеспособности. Как говорит Карден: «Это помогает предотвратить некроз в вашем образце. «В долгосрочной перспективе такой процесс может привести к 3D-печати органов. Кэмден объясняет, что если бы они напечатали на 3D-принтере структуру, используемую для выращивания клеток печени, побочный продукт «фактически имел бы васкуляризацию, смоделированную по принципу работы печени».
Концепция Кардена и Бэйна основана на методе 3D-печати сосудов, разработанном Университетом Пенна два года назад. После того, как стало известно о методе Пенна, Карден получил грант в гривнах для программы исследований и творчества для студентов (RCEU), чтобы снизить стоимость клеточных тестовых массивов, с помощью которых можно тестировать фармацевтические препараты, и, в конечном итоге, сократить расходы на исследования лекарств. Используя часть средств для покупки дешевого комплекта 3D-принтера RepRap, который он использовал для печати обновлений для самой машины, Карден объяснил: «Наша цель состояла в том, чтобы сделать его дешевым и простым.”
Бейн, студент бакалавриата в области машиностроения и аэрокосмической инженерии, который недавно приостановил учебу, чтобы заняться личными изобретениями и коммерческими проектами, мгновенно понял, как модифицировать экструдер набора для биопечати. Карден рассказывает историю: «Он придумал это на месте и нарисовал от руки. Потом он принес мне этот сложный технический рисунок, который понял мой папа. «Отец Кардена смог изготовить экструдер в компании General Dynamics Global Imaging Technologies в соседнем Каллмане, штат Алабама, всего за 12 долларов из алюминия, - продолжает Камден, - и на следующий день мой отец вручил мне этот экструдер. Это очень просто и похоже на шприц.”
Как описано в блоге Университета Алабамы, экструдер дуэта содержит соленоидный клапан, управляемый программным обеспечением для определения времени выпуска азота, который проталкивает сахарный раствор через модульный наконечник и при температурах выше, чем у типичные экструдеры для 3D-принтеров. Более высокие температуры позволяют лучше управлять вязкостью сахара и, следовательно, более точно определять сосудистую сеть. Теперь все, что осталось паре исследователей, - это фактически вырастить биологический материал вокруг своих отпечатков. По этой причине Карден отправится в путешествие в Институт регенеративной медицины Университета Уэйк Форест, который уже многое сделал, чтобы проложить путь к 3D-биопечати.
Получив награду в размере 9 948 долларов от фонда Charger Innovation Fund и под руководством заведующей кафедрой биологии доктора Дебры Мориарти, Карден и Бэйн надеются на дальнейшую разработку своего программного обеспечения. Карден объясняет: «Что мы хотим сделать с этим новым финансированием, так это расширить собственные функции, которые есть в нашем процессе. Я думаю, что это даст нам гораздо больше гибкости в будущем, потому что необходимость заставить все эти программы с открытым исходным кодом общаться друг с другом была самой большой проблемой. В дальнейшем у них есть планы по внедрению процесса 5D-печати, метода создания сосудов, которые будут органически разветвляться.
Затем, конечно, есть печать органов, думает Карден, говоря: «Через пять, или 10, или, может быть, 20 лет станет доступным напечатать печень или сердце. В какой-то момент вы дойдете до использования стволовых клеток, и персонализированная медицина станет очень доступной. «Дети в наши дни! Что они придумают дальше?