Если судить по заголовкам в СМИ, то ученые регулярно «печатают сердца» и «создают искусственные почки». Но на V Конгрессе молодых ученых, который сейчас проходит в «Сириусе», я увидел совсем другую картину. Реальность биопечати куда более приземленная, жесткая, но именно она решает критически важные инженерные задачи.
Атмосфера здесь, конечно, заряженная. Конгресс — это флагманское мероприятие Десятилетия науки и технологий, и масштаб чувствуется сразу. Представьте: более 8000 участников, гости из почти 90 стран, и средний возраст этого «мозгового штурма» — всего 33 года. Здесь не просто говорят о будущем, здесь его буквально собирают по деталям.
Я заглянул на профильную сессию по биопечати, ожидая услышать очередные футурологические обещания, но вместо этого попал на серьезный разбор полетов, где разработчики, хирурги и регуляторы честно обсуждали, как перейти от лабораторного хайпа к медицинскому конвейеру.
Спойлер: наше сердце не заменят на напечатанное прямо в районной поликлинике завтра. Зато мы уже видим роботизированные манипуляторы в операционных и применение методов нефтегазового моделирования в биологии.
Новая барабанная перепонка за 7 секунд
Главной проблемой биопечати заслуженно считается масштабируемость. Напечатать один уникальный образец в лаборатории — это наука, но напечатать тысячи одинаковых и безопасных изделий — это уже индустрия.
Самый живой пример перехода к индустрии показал Валерий Мищенко (НИКИО им. Свержевского) совместно с компанией 3D Bioprinting Solutions. Речь о биопечати имплантов для восстановления барабанной перепонки.
И это уже не теория. На сегодняшний день прооперировано уже 40 пациентов. Суть технологии в том, что вместо того, чтобы брать собственные ткани пациента (фасцию), что удлиняет операцию и травмирует человека, используется напечатанный конструкт из коллагена.
В сухом остатке:
- время операции сократилось в 2,5 раза (до 15–20 минут);
- время печати одной мембраны — 7 секунд;
- в следующем году планируется принтер с шестью форсунками, который будет выдавать 6 мембран за те же 7 секунд.
«Потребность только военных в таких перепонках — 500 штук в день. Это уже вопрос конвейера, а не штучного производства», — отметил Валерий Мищенко.
Инжиниринг и при чем тут нефтяные скважины
Биопечать — это не только про биологию. Это про гидродинамику, сопромат и сложное математическое моделирование.
Павел Волегов из Пермского Политеха поделился интересным фактом: математические модели, описывающие течение биочернил в принтере или кровоток в напечатанной ткани, практически идентичны моделям, используемым при расчете нефтяных пластов. Это неньютоновские жидкости, многофазные среды и сложные реологические процессы.
Если вы ошибетесь в диаметре сопла тканевого пистолета на миллиметр или неправильно рассчитаете давление, ультразвуковой поток распыления просто не сработает. Поэтому, прежде чем тратить дорогие реагенты, создается цифровой двойник процесса печати. Это позволяет отсечь нерабочие гипотезы еще на сервере, экономя месяцы работы в «чистой комнате».
Проблема масштаба: почему орган нельзя просто «взять и напечатать»
Здесь мы упираемся в физику. Егор Осидак (Имтек) напомнил о главной боли регенеративной медицины — диффузионном ограничении.
Питательные вещества и кислород эффективно проникают в ткань путем диффузии только на расстояние 200–300 микрон. Если напечатать кусок ткани толщиной в сантиметр без встроенной системы сосудов, клетки внутри просто погибнут от голода и гипоксии за несколько часов.
Напечатать капиллярную сеть с шагом в 100 микрон, которая выдержит давление крови и не вызовет тромбоз (свертывание), — это задача, которую мировая наука пока решает со скрипом. Именно поэтому сейчас в клинику идут плоские структуры (мембраны, кожа, хрящи), где питание происходит за счет диффузии из окружающих тканей.
Материалы: медузы и «белковые коктейли»
На чем печатать? Основной материал — коллаген. Он консервативен (коллаген свиньи или быка почти не отличается от человеческого) и предсказуем. Екатерина Левада из БФУ им. Канта рассказала, что в Калининграде активно используют морские ресурсы: коллаген из рыб и медуз. Это не экзотика ради экзотики, а поиск материалов с разной жесткостью для разных типов клеток (нейронам нужно мягче, костям — жестче).
Другой тренд — уход от живых клеток в самом продукте. Живая клетка капризна: сложная логистика, жесткие условия хранения, риск мутаций. Константин Кулебякин (МГУ) предлагает использовать секретом — набор белков и факторов роста, которые выделяют стволовые клетки. Грубо говоря, это «инструкция» для организма: «чинись здесь». Белки можно лиофилизировать (высушить), хранить на полке годами и растворять перед печатью. Это превращает биопечать в понятную фармацевтику.
In situ: робот в операционной
Один из самых технологичных векторов — печать in situ (на месте). Роботизированная рука (разработка МИСИС и 3D Bioprinting Solutions) печатает биоматериалом прямо в рану пациента.
Сложность здесь не в самой печати, а в компьютерном зрении и компенсации движений. Пациент дышит, грудная клетка движется. Принтер должен в реальном времени сканировать поверхность, строить карту кривизны и корректировать траекторию сопла, чтобы слой ложился ровно.
Юридический вакуум
Технологии бегут быстрее законов. Юсеф Хесуани (3D Bioprinting Solutions) отметил, что в России сейчас формируется ГОСТ на биопечать. Но вопросы остаются.
Если мы печатаем орган, то кому он принадлежит? Донора ведь нет. Ещё это медицинское изделие или лекарственный препарат? Если клеток нет (только коллаген) — это медицинское изделие и его регистрация проще, но если клетки есть — это биомедицинский клеточный продукт или высокотехнологичный лекарственный препарат, и его путь до запуска будет очень сложным и долгим.
Итог
Российская биопечать сейчас находится в интересной точке. Мы перестали гнаться за громкими PR-поводами вроде «первой в мире напечатанной щитовидки» и занялись скучной, но нужной работой: стандартизацией, автоматизацией и внедрением в реальные клинические протоколы.
Как заметил Андрей Андреев (глазная клиника «ЛЭК»):
«Информационное поле раздуто. Мы читаем, что ученые напечатали сердце. Но ключевое слово здесь — "напечатали", а не "пересадили и оно работает". Для бизнеса и клиники важно отличать научный эксперимент от готовой технологии».
И судя по тому, что барабанные перепонки уже печатаются за 7 секунд, этот переход наконец-то начался.