Гибридный биопринтер высокого разрешения с использованием машинного обучения. Источник: Nature Chemical Engineering

Тысячи жизней зависят от решения одной сложной задачи: как создать орган, который организм не отвергнет. В мире миллионы людей находятся в листе ожидания трансплантации, и постоянно списки нуждающихся пополняются. Даже успешная пересадка не означает полного выздоровления — реципиентам приходится всю жизнь принимать препараты, подавляющие иммунитет, и постоянно опасаться отторжения.

На протяжении десятилетий исследователи искали способ выращивать ткани и органы из собственных клеток пациента. Главная трудность заключалась в воспроизведении сосудистой системы, особенно мельчайших ее элементов — капилляров. Именно они доставляют кислород и питательные вещества к каждой клетке, и без них любая искусственно созданная ткань быстро погибает.

Прорыв в этой области удалось совершить команде университета Нотр-Дам (США). Совместно с коллегами из Гарвардской медицинской школы они разработали гибридную технологию биопечати, позволяющую создавать сосуды диаметром менее 10 мкм — тоньше человеческого волоса. Подробности работы опубликованы в Nature Chemical Engineering.

"Машинное обучение — это очень мощный инструмент, который помогает нам определять оптимальные параметры гораздо быстрее, чем традиционный метод проб и ошибок. Внедрение автономной оптимизации значительно повысило эффективность достижения желаемого качества и точности печатных каналов" - Яньлян Чжан, профессор кафедры аэрокосмической и механической инженерии Университета Нотр-Дам.

Технология объединяет два метода 3D‑печати. Сначала методом экструзии формируется мягкий гелеобразный каркас, имитирующий ткань. Затем внутри него с помощью аэрозольной струйной печати (AJP) наносятся тонкие нити желатина, которые позже удаляют, оставляя каналы нужного размера. Аэродинамическая фокусировка в AJP позволяет точно регулировать диаметр каналов — от сотен микрометров до нескольких микрометров. А система машинного обучения автоматически подбирает идеальные параметры печати для каждого конкретного случая.

Светлопольные и флуоресцентные изображения напечатанных одномерных, двумерных и трехмерных сосудистых сетей. Источник: Nature Chemical Engineering

Важным достижением стало то, что созданные сосудистые сети удалось выстлать живыми эндотелиальными клетками. Клетки быстро прикреплялись к стенкам каналов и формировали однослойную структуру, повторяющую барьерную функцию настоящих капилляров — без утечек и нарушений целостности.

Такие биомиметические модели открывают новые возможности не только для создания органов, но и для тестирования лекарств, а в перспективе — для персонализированной медицины. Конечная цель исследователей — разработать автономный интеллектуальный биопринтер, способный создавать полностью функциональные ткани и целые органы: сердце, почки, печень.

Работа команды приближает медицину к этому будущему, где дефицит донорских органов перестанет быть непреодолимой проблемой.