Исследователи из США разработали недорогой биопринтер, который позволяет создавать трёхмерные структуры с живыми микроорганизмами. Устройство, собранное на базе обычного 3D-принтера, способно формировать конструкции высотой более 100 слоёв, включая объекты с полыми внутренними полостями. При этом стоимость модернизации составляет всего около 450 долларов.
Разработка учёных из Рочестерского университета (University of Rochester) и Корнеллского университета (Cornell University) может сделать биопечать значительно доступнее для научных лабораторий. Для сравнения: стоимость коммерческих биопринтеров нередко превышает 100 тысяч долларов, а более ранние самодельные установки обычно не могли создавать конструкции выше 20 слоёв.
Но дело не только в цене. Новая технология решает одну из ключевых проблем биопечати — сохранение формы мягких биологических материалов в процессе создания многослойных объектов.
Как работает биопринтер на базе обычного 3D-принтера?
В основе разработки лежит стандартный 3D-принтер, который исследователи модифицировали, заменив механизм подачи пластиковой нити специальным шприцевым насосом.
Вместо расплавленного пластика устройство использует так называемые биочернила — смесь живых клеток и полимерного раствора. После нанесения материал превращается в гель, который удерживает клетки внутри заданной формы.
Усовершенствованная система подачи позволяет не только выдавливать биочернила, но и втягивать их обратно. Благодаря этому принтер точнее контролирует поток материала, предотвращая его нежелательное вытекание и размытие границ печатаемой конструкции.
Как отмечает профессор биологии Рочестерского университета Анн Мейер (Anne Meyer), цель исследовательской группы — разработать самодельные биопринтеры из недорогих и легкодоступных компонентов. Это позволит другим учёным без значительных финансовых затрат воспроизводить технологию в собственных лабораториях.
Секрет печати высоких конструкций — поддерживающий гель
Главное технологическое достижение разработки связано с возможностью создавать структуры высотой более 100 слоёв.
Проблема традиционной биопечати заключается в том, что биочернила остаются достаточно мягкими. Когда принтер наносит очередной слой, нижние слои могут деформироваться или разрушаться под его весом. В результате создание высоких и сложных конструкций становится практически невозможным.
Американские исследователи предложили использовать специальную поддерживающую среду — мягкий гель, который также называют суспензией (slurry).
Биочернила наносятся непосредственно внутрь этой среды. Она временно удерживает каждый новый слой на месте, пока материал не приобретёт необходимую устойчивость. Таким образом, последующие слои не деформируют уже напечатанные участки, а принтер может продолжать работу, постепенно формируя объёмную конструкцию.
Дополнительное преимущество технологии — возможность создавать внутри объектов полости и пустоты сложной геометрии.
Это особенно важно для конструкций, содержащих живые микроорганизмы. Благодаря внутренним каналам и полостям увеличивается площадь контакта материала с окружающей средой, а бактерии получают более удобный доступ к питательным веществам и внешним сигналам.
Кроме того, такие структуры позволяют быстрее выводить наружу вещества, которые производят микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности.
Живые бактерии сохраняют жизнеспособность не менее четырёх недель
Исследователи разработали два варианта поддерживающего геля, каждый из которых предназначен для определённых задач.
Первый позволяет легко извлекать готовую биологическую конструкцию после завершения печати. Второй рассчитан на более продолжительное содержание объекта в поддерживающей среде, в том числе для инкубации — создания условий, необходимых для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов.
Именно второй вариант продемонстрировал особенно интересные результаты.
В ходе экспериментов встроенные в напечатанную структуру микроорганизмы оставались живыми как минимум четыре недели. Для сравнения: при использовании предыдущих методов печати бактерии начинали погибать примерно через девять дней.
Такое увеличение продолжительности жизнеспособности открывает новые возможности для изучения биоплёнок — трёхмерных сообществ микроорганизмов, которые формируются на различных поверхностях.
Биоплёнки играют важную роль во многих природных и технологических процессах. Их изучение необходимо, в частности, для понимания поведения бактерий в окружающей среде и разработки новых биотехнологических решений.
Где может применяться новая технология?
Возможность создавать сложные трёхмерные конструкции с живыми микроорганизмами может оказаться полезной сразу в нескольких направлениях науки и промышленности.
Одно из перспективных применений — очистка загрязнённой воды. Для этого можно использовать бактерии, способные поглощать или преобразовывать определённые загрязняющие вещества. Геометрия напечатанной конструкции позволит увеличить площадь контакта микроорганизмов с водой и повысить эффективность взаимодействия.
Другое направление — переработка пластиковых отходов. Некоторые микроорганизмы способны участвовать в разложении отдельных видов пластика. Размещение таких бактерий внутри специально спроектированных биологических структур потенциально позволит создавать более эффективные системы биологической переработки отходов.
Новая технология также представляет интерес для лабораторных исследований. Учёные смогут создавать искусственные биоплёнки, более точно воспроизводящие реальные условия существования микроорганизмов. Это поможет изучать их взаимодействие, развитие и реакцию на различные факторы окружающей среды.
При этом важна не только возможность печатать живые клетки, но и контроль над формой конечного объекта. Ведь геометрия биологического материала непосредственно влияет на доступность питательных веществ, обмен с окружающей средой и поведение встроенных микроорганизмов.
Доступная биопечать открывает новые возможности для исследований
Разработка исследователей из Рочестерского и Корнеллского университетов демонстрирует, что для создания сложных биологических конструкций не обязательно использовать дорогостоящее специализированное оборудование.
Модернизация обычного 3D-принтера за 450 долларов позволила преодолеть сразу несколько ограничений традиционной биопечати: увеличить высоту конструкций более чем до 100 слоёв, создавать внутренние полости и существенно продлить жизнеспособность встроенных микроорганизмов.
Пока речь идёт прежде всего о лабораторной технологии, а не о готовом промышленном решении. Однако доступность оборудования и гибкость метода могут сделать его полезным инструментом для исследователей, работающих в области микробиологии, биоинженерии и экологических технологий.
В перспективе подобные разработки способны приблизить создание искусственных биологических материалов, которые не просто имитируют живые системы, а используют возможности самих микроорганизмов для решения практических задач.
