В 1997 году ученые Андрей Гейм и Майкл Берри заставил лягушку парить в сильном магнитном поле. Цель – заставить проявить интерес к этому физическому явлению. Лягушку в воде с солями гадолиния помещали в чашку специального мощного магнита, создающего магнитное полу силой 16 Тл. Вода с парамагнитными солями гадолиния смещалась в область с высоким магнитным полем (парамагнетики притягиваются магнитом), а лягушка смещалась в область с низким магнитным полем и начинала парить («левитировать») в воздухе. Это связано с тем, что живые организмы – диамагнетики, которые отталкиваются от магнита.
В последующим различные исследователи использовали этот эффект для левитации живых клеток – как отдельных клеток, так и сфероидов (группы клеток). Разрабатывались методы управления движением клеток, и способы сортировки отдельных клеток. Способы интересные, но в условиях земной гравитации требовалось парамагнитная жидкость с большим содержанием солей гадолиния, которые токсичны при длительном контакте с клетками. Либо очень мощные электромагниты (электромагниты Биттера).
А вот на орбите – там и гравитация ниже и эксперименты проводить проще. Вполне можно обойтись "обычными" магнитами (например на основе ниобия)
И в 2010 году была изготовлена экспериментальная установка «Кулоновский кристалл»:
Основным элементом установки является магнит, создающий специфическое неоднородное магнитное поле, в котором в условиях микрогравитации могут формироваться структуры из диамагнитных частиц.
В 2010 году она была доставлена на МКС и в период с 2010 по 2017 год в российском сегменте МКС проведены опыты по исследованию магнитной левитации.
Как результат этих опытов в 2018 году группой российских исследователей были предложен метод формирования трехмерной сборки клетки без каркасов или гелей.
Для демонстрации реальности метода, был проведен опыт в Нидерландах городе Неймеген российскими учеными совместно с лабораторией сильных магнитных полей Университета Неймегена имени святого Радбода и Институтом регенеративной медицины Маастрихтского университета (Universiteit Maastricht). Использовался магнит Биттера с напряженностью поля 19 Тл и концентрации парамагнетика (солей гадолиния) 0,8 мМоль.
В результате был получен жизнеспособный такнево-инженерный конструкт.
Сами разработчики процесса не любят термин 3D-печать и пользуются термином «формативная фабрикация». Это связано с тем, что 3D-биопечать, строго говоря, не является 3D-пчеатью, т.к. отсутствует послойное формирование объекта. В случае формирования конструкта в условиях магнитной левитации происходит сборка из отдельных сфероидов одновременно по всему объему.
Тем не менее, в СМИ и литературе, в том числе научной, широко используются термины «3D-биопринтер» и «3D-биопечать». Более того – в самом патенте на «устройство и способ магнитной фабрикации» используется термин «биопринтер».
Этот эксперимент был завершающей стадией работы, начатой еще до 2016 года.
Примерная хронология следующая:
Август 2016 года. Объединенная ракетно-космическая корпорация (ОРКК) и компания 3D Bioprinting Solutions подписали соглашение о создании экспериментального космического 3D-биопринтера.
Апрель 2017 года – опытный образец биопринтера уже готов. Июль 2017 года – опытный образец биопринтера протестирован и продемонстрирован публике.
Попутно был объявлен конкурс на лучшее название. Установку назвали «Оргон.Авт» (Organaut).
К осени 2028 года биопринтер был готов к отправке на МКС
«Космический биопринтер» несколько отличается от экспериментальной установки.
Принцип действия биопринтера «Орган.Авт» заключается в том, , что в кювету, заполненную парамагнитной жидкостью с тканевыми сфероидами помещалась в центр кольцевых постоянных магнитов, ориентированных друг к другу одноименными полюсами, для наблюдения за процессом было два отверстия (одно – для камеры, второе – для подсветки).
Далее… 13 октября 2018 года стартовала ракета-носитель «Союз», старт был неудачный, в результате:
Биопринтер находился в бытовом отсеке, упал в Казахстане, но что-то от биопринтера осталось, причем биопринтер сохранил принципиальную работоспособность. Но его решили не восстанавливать, а изготовить новый.
Неудача не остановила продвижение вперед и 4 декабря 2018 года второй экземпляр биопринтера «Орган.Авт» был доставлен на орбиту.
К концу января 2019 года первый цикл экспериментов был завершен и полученные образцы тканей были доставлены на Землю.
В августе 2019 года были проведены опыты по «печати мяса» (собран конструкт из сфероидов клеток мышечных тканей коровы, кролика и рыбы), в мае 2020 года – по биопечати костных тканей крыс. Были проведены опыты по биопечати хрящевой ткани человека и щитовидной железы мыши, в 2022 году проводились опыты по кристаллизации в невесомости высокомолекулярных белковых соединений, в 2024 году закончился эксперимент по биопечати трубчатых сосудов с эффектом памяти формы.
Еще одно применение биопринтера – для перекристаллизации неорганических соединений в условиях микрогравитации, в частности получение конструктов на основе фосфата кальция, которые широко используются в стоматологии и ортопедии, в качестве костных имплантантов.
Возможные применения космического биопринетра:
На этом можно было бы и закончить, но для интересующихся темой на более серьезном уровне хочу привести внутреннее устройство принтера.
Принцип действия принтера:
Конструкция биопринтера:
На рисунках обозначено:
100 – разрез секции биопринтера
110 – магнитная установка
120 – обычные батарейки АА известной фирмы
130 – освещение
140 – портал для установки кюветы
150 – основание
151 – магнитная система
Используется шесть магнитных систем
161, 162 – задний и передний экраны для экранирования магнитного поля
170 – порталы для загрузки кювет с заслонками в виде ирисовой диафрагмы
180 – цифровые видеокамеры
200 – кювета
210 – кнопки-поршни для впрыска питательной среды
220 – поршни вторичного контура безопасности (требуют нажатия пальцами)
230 – объем для установки толкателей клапанов
240 – емкость питательной среды (1 мл)
250 – клапан для питательной среды
260 – поршневой клапан фиксатора
270 – камера фабрикации (2 мл)
280 – емкость для фиксирующего раствора (0,5 мл)
Корпус выполнен из сплава Д16Т, крепежные элементы – из «немагнитной нержавейки» 12Х18Н10Т, магнитные экраны – из «магнитной» нержавейки» 20Х13.
Клапан, установленный в емкости питательной среды (240) использует принцип клапана Шредера – избыточное давление, вызванное нажатием пальцем на поршень расширяет резиновый элемент, позволяя жидкости стечь в камеру биофабрикации.
Клапан, установленный в емкости фиксации раствора (250) работает по принципу ниппельного клапана – повышенное давление в камере биофабрикации запирает клапан, препятствуя попаданию фиксирующего раствора в камеру фабрикации, а повышенное давление, созданное ручным нажатием на поршень в емкости фиксирующего раствора его открывает и позволяет фиксирующему раствору попасть в камеру фабрикации.
Подготовка кювет осуществляется на земле в следующей последовательности:
Производится разборка кюветы и стерилизация её деталей
Заполнение емкостей питательным раствором и фиксирующим раствором.
В камеру биофабрикации помещается охлажденный гель с биоматериалом.
Кювета собирается, устанавливается защитная крышка.
На МКС космонавт снимает защитную крышку с кюветы, помещает кювету в один из порталов, нажимает кнопку «П1», после которой питательный раствор попадает в камеру фабрикации, и запускает процесс биопринтинга.
По окончании процесса биофабрикации кювета извлекается, нажимается кнопка «П2», которая подает фиксирующий раствор в камеру биофабрикации (для фиксации результата биопринтинга).
Предыдущая статья про использование 3D-печати в медицине:
Предыдущая статья про космическую 3D-печать:
Следующая статья про космическую печать
