Биопечать: что уже печатают и что остаётся в лабораториях

Материал о технологии из раздела 3D-печать в медицине, не медицинский совет и не обещание лечения.

Что такое биопечать

Биопечатью называют нанесение конструкций из живых клеток, биоматериалов и биологических молекул. Если печатают полимерный каркас без клеток (например, каркас уха из поликапролактона), это не биопечать, а печать медицинского изделия, и в соседней статье об имплантатах такие случаи как раз разобраны. В 2024 году опубликованы результаты клинического испытания: пяти пациентам с микротией установили напечатанные из поликапролактона индивидуальные каркасы, через год все ушные раковины зажили, объём в среднем составил 161,54 % от здоровой стороны. Клеток в каркасе нет, и это печать, а не биопечать.

Задача обычной 3D-печати: получить форму. У биопечати вторая задача: клетки должны пережить печать и работать после неё. Поэтому здесь всё упирается в мягкие материалы, малое давление и стерильность. Общая терминология аддитивных технологий разобрана в глоссарии.

Три способа печати

Данные взяты из обзора в журнале Materials (2018) и обзора о конструкции сопел (2024). Жизнеспособность сильно зависит от вязкости, диаметра сопла и давления: диапазон 40–80 % для экструзии указан в обзоре 2024 года. Для сопел в обзоре предлагают диаметр 0,2–1 мм, длину 8–10 мм, угол внутреннего конуса 20–30° и сдвиговое напряжение ниже 10 кПа.

Чувствительность клеток измерили на водорослях: функциональные нарушения появлялись при напряжении около 5 кПа, хотя жизнеспособность не менялась; выше 14 кПа клетки гибли необратимо. Выживаемость сразу после печати не говорит, что клетки будут работать, функцию мерят отдельно.

Фотополимеризация работает как в смоляных принтерах для мастерской, только смолу заменяют биочернила, и у неё свой риск. По обзору 2018 года, фотоинициатор камфорхинон давал жизнеспособность около 40 %, а другие два сравнивавшихся инициатора свыше 80 %. Ультрафиолет и синий свет 400–490 нм могут повреждать клетки, поэтому ищут инициаторы видимого света.

Биочернила

Биочернила состоят из носителя-гидрогеля и клеток. Носитель должен быть мягким для клеток и достаточно жёстким, чтобы держать форму, а требования противоречат друг другу.

Для альгината важны молекулярная масса, концентрация и растворимость соли кальция. В опыте с чернилами для скелетной мышцы альгинат брали 4–12 % при 6 % желатина, и для печати с высоким разрешением лучше всего подошла смесь 12 % и 6 %. Такой альгинат после сшивки 300–500 мМ раствором хлорида кальция за 15 минут давал жёсткость 45–50 кПа, как у скелетной мышцы. GelMA имеет фотосшиваемую структуру, но сам по себе механически слаб, и его усиливают нанонаполнителями. В смеси полиэтиленгликоля с GelMA 5 % и 7,5 % клетки сохраняли около 80 % жизнеспособности через 5 дней. Чистый коллаген в концентрации 2–6 мг/мл слишком мягок и гелируется долго: его печатали в ванне с дубильной кислотой, которая сшивает наружный слой нити.

Расчёты: сколько клеток теряется и как глубоко проходит кислород

Потери при печати. Допустим, нужно получить конструкцию из 5 мл чернил с 10 млн клеток/мл, то есть 50 млн клеток (допущение). При экструзии с жизнеспособностью 40–80 % останется 20–40 млн, при лазерной печати свыше 95 % останется не менее 47,5 млн. Клетки для опыта выращивают заранее, и потеря половины для малой серии означает лишние недели культивирования.

Кислород. Толщину ткани без сосудов ограничивает диффузия: по работе в JoVE (2016) пассивная диффузия обеспечивает только очень тонкий слой. Оценим глубину проникновения для плоской пластины, которую питают с одной стороны. При нулевом порядке потребления глубина L = √(2·D·C0 / (ρ·Vmax)). Параметры из работы 2013 года по фибрину и лёгочным фибробластам: коэффициент диффузии кислорода D = 1,7·10⁻⁹ м²/с, максимальная скорость потребления Vmax = 1,3·10⁻¹⁷ моль/(клетку·с). Концентрацию кислорода у поверхности C0 = 0,2 моль/м³ (около 0,2 ммоль/л для среды, уравновешенной с воздухом при 37 °C) и плотность клеток мы выбрали сами.

Расчёт грубый, параметры взяты для фибробластов, а у других клеток потребление может быть выше. Вывод качественный: плотная ткань толще долей миллиметра без сети сосудов не выживет.

Что реально сделано

Кожа. В 2023 году в Science Translational Medicine опубликовали работу, где из шести типов первичных клеток человека напечатали трёхслойную кожу (эпидермис, дерма, гиподерма). После пересадки на раны мышей она быстро васкуляризовалась и образовала эпидермальные гребни. Для свиней напечатали аутологичный лоскут 5 × 5 см: рана эпителизировалась лучше, сокращалась меньше, фиброза было меньше. Авторы пишут, что технология, возможно, применима в клинике, а не что она уже применяется. В исследовании 2022 года клеточные чернила наносили прямо на ожоговую рану свиней роботизированной рукой, испытания на людях авторы только допускают в будущем.

Хрящ и ухо. Каркас уха из поликапролактона уже прошёл клиническое испытание (см. выше). Живой имплантат тоже печатали: в июне 2022 года компания 3DBio Therapeutics объявила о первой операции в клиническом исследовании фазы 1/2a с индивидуальным биопечатным имплантатом наружного уха для пациентов с микротией (пресс-релиз компании, независимых данных об исходах на момент написания статьи мы не нашли).

Модели для испытаний. Это самое зрелое направление. Экструзионная печать органоидов почки в 6- или 96-луночных планшетах дала воспроизводимое число клеток и жизнеспособность, а на модели проверили токсичность аминогликозидов как доказательство возможности. Обзоры говорят о печатных моделях сердца, нервной ткани и яичка для скрининга лекарств, хотя сосудистость, электрофизиология и масштаб остаются проблемой.

Что показал обзор клинических работ. Скопинг-обзор 2025 года искал по реестрам исследований (поиск на 22 февраля 2024 года) и нашёл 11 исследований, регистрации с 2016 по 2023 год, больше всех в Китае. Результаты опубликованы только у четырёх. Четыре исследования имплантируют напечатанные ткани из клеток самого пациента: сосуды, трахею, наружное ухо, раневые покрытия. Остальные семь печатают модели для изучения болезней, например рака. Целых органов в этом списке нет.

Россия

В России известна лаборатория «3D Bioprinting Solutions» в Москве. В 2017 году в журнале Biofabrication вышла статья с её участием: напечатанную из эмбриональных сфероидов щитовидную железу мыши с сосудистой сетью вырастили в коллагеновом геле, затем пересадили под капсулу почки мышам с гипотиреозом. Конструкция нормализовала уровень тироксина и температуру тела. Это мышиная модель и доказательство принципа, а не терапия.

Правовой контур для биопечатных тканей в России ближе всего к закону № 180-ФЗ «О биомедицинских клеточных продуктах» (2016): он регулирует разработку, исследования, регистрацию и производство таких продуктов, но не распространяется на лекарства и медицинские изделия. Относить ли конкретный напечатанный продукт к клеточным продуктам, к изделиям или к их комбинации, решает регистрирующий орган. В работе 2015 года о гипотетическом биопечатном носовом имплантате такие изделия отнесены к сложным комбинированным продуктам, а действующие рамки ЕС и США, по мнению авторов, не учитывают ни отличий печати от обычного производства, ни индивидуализации изделий.

Что мешает выйти из лаборатории

• Сосуды. Без собственной сети сосудов ткань толще долей миллиметра не питается (расчёт выше). В обзорах сосудистость, иннервация и точность размещения клеток называют главными нерешёнными задачами.
• Масштаб. Экструзия не позиционирует отдельные клетки, лазерная печать позиционирует, но дорога и плохо масштабируется.
• Клетки. Нужны клетки пациента или совместимые линии в нужном количестве и без потери функции.
• Воспроизводимость и контроль. Свойства чернил, давление, температура и время процесса должны быть описаны и повторяться от партии к партии.
• Регистрация. Для клеточных продуктов закон требует доклинических и клинических исследований и экспертизы до регистрации.