Биопечать позволяет создавать трехмерные структуры из живых клеток и биологических материалов. Клетки помещаются в специальный субстрат, например гидрогель. В результате получаются биочернила, который затем послойно наносятся с помощью 3D-принтера. Постепенно эти клетки растут и формируют полноценную трехмерную ткань. Этот процесс можно сравнить со строительством кирпичной стены, где клетки — это кирпичи, а биочернила — раствор или цемент. Однако достичь плотности клеток, сравнимой с человеческими тканями, традиционными методами биопечати сложно. Сфероиды, обладая высокой клеточной плотностью, могут стать более перспективным материалом для создания функциональных тканей.
Но существует проблема масштабируемости. Текущие методы биопечати часто повреждают клетки, что приводит к их гибели. Другие технологии громоздки или не обеспечивают точного контроля над размещением сфероидов, а некоторые слишком медленные.
В предыдущих исследованиях ученые разработали биопечать с аспирационной поддержкой. Они пипеткой поднимали и размещали клеточные шарики, которые затем самоорганизовывались в ткань. Однако из-за перемещения сфероидов по одному создание структуры объемом 1 см³ может занять несколько дней.
Для решения этих проблем команда разработала технологию HITS-Bio (High-throughput Integrated Tissue Fabrication System for Bioprinting). Она использует цифровую решетку из нескольких сопел, которая перемещается в трех измерениях и позволяет манипулировать несколькими сфероидами одновременно. Сопла системы были сгруппированы в матрицу 4×4, с помощью которой можно одновременно захватывать и размещать 16 сфероидов на биочернилах. Решетка позволяет располагать шарики клеток в заданных паттернах для создания архитектуры сложных тканей. Технология в 10 раз быстрее существующих решений и сохраняет более 90% жизнеспособности клеток.
Чтобы протестировать платформу, команда создала образец хрящевой ткани объемом 1 см³. В него было интегрировано 600 сфероидов из хрящевых клеток. Весь процесс занял менее 40 минут.
Затем команда продемонстрировала, что метод биопечати пригоден для оперативного восстановления тканей в хирургической практике на модели крыс. Они напечатали сфероиды непосредственно в месте раны на черепе во время операции. Это стало первым случаем печати сфероидов в ходе хирургического вмешательства. Исследователи запрограммировали эти сфероиды с помощью технологии микроРНК, чтобы те преобразовались в костную ткань. МикроРНК регулирует экспрессию генов в клетках, включая процесс их дифференциации в специализированные типы клеток.
Высокая дозировка клеток, доставленных с помощью новой методики, ускорила процесс регенерации костной ткани. По итогам эксперимента, через три недели рана зажила на 91%, а через шесть недель — на 96%.
Ученые работают над тем, чтобы создать в искусственных тканях кровеносные сосуды. В данном исследовании это было не так важно, потому что хрящ не нуждается в кровеносных сосудах, а в хирургических условиях за приток крови к биопечатной костной ткани отвечали окружающие кровеносные сосуды.
