ИИ превращает принтер в партнёра по тканевой инженерии

Доноры органов могут спасти жизни, например, пациентов с почечной недостаточностью. К сожалению, доноров слишком мало, а очереди на трансплантацию длинные. Трёхмерная биопечать органов может решить эту проблему в будущем. Но печать живых тканей — биопечать — чрезвычайно сложна.

Команда Риккардо Левато из Университетского медицинского центра Утрехта и Утрехтского университета делает важный шаг к печати имплантатов. Используя компьютерное зрение, отрасль искусственного интеллекта (ИИ), они разработали 3D-принтер, который не только печатает, но и «видит» и даже совместно проектирует.

Их исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09436-7) в Nature. Эта инновация решает одну из самых больших проблем в 3D-биопечати: улучшение выживаемости и функциональности клеток в напечатанных живых тканях.

Как это работает?

Обычно мы ассоциируем 3D-печать с построением структур слой за слоем. Но есть и другие формы, такие как объёмная биопечать. Этот метод создаёт полную структуру за один шаг, используя светочувствительный гель, который затвердевает под воздействием лазерного света, безопасного для клеток.

Преимущество в том, что процесс невероятно быстрый, занимает всего несколько секунд, и гораздо более щадящий для живых клеток.

Чтобы получить высококачественную печать, важно понимать, что находится внутри материала для печати, чтобы напечатанный объект был сконструирован как можно более оптимально. Новая технология, называемая GRACE, делает это возможным. Она открывает новые возможности для биопечати функциональных тканей и приближает нас к восстановлению тканей, тестированию новых лекарств и даже замене целых органов.

Биочернила и объёмная биопечать

В 3D-биопечати исследователи используют живые клетки для создания функциональных тканей и органов. Вместо того чтобы печатать пластиком, они печатают живыми клетками. Это сопряжено с большими трудностями. Клетки хрупкие и не выживут при обычном процессе 3D-печати. Поэтому команда Левато разработала специальные биочернила — смесь живых клеток и питательных гелей, которые защищают клетки во время процесса печати.

Благодаря достижениям в области биочернил стала возможной послойная 3D-биопечать. Но этот метод всё ещё занимает много времени и создаёт большую нагрузку на клетки. Исследователи из Утрехта предложили решение: объёмная биопечать.

Роль лазера

Лазерный свет играет решающую роль не только на этапе печати, но и на дополнительном этапе визуализации, который отличает эту новую технологию. GRACE сочетает объёмную биопечать с этой передовой визуализацией на основе лазерного света.

Саммю Флорчак, аспирант лаборатории Риккардо, работал над разработкой GRACE, сокращение от Generative, Adaptive, Context-Aware 3D printing (Генеративная, адаптивная, контекстно-зависимая 3D-печать). Он создал новое устройство в специализированной лаборатории, используя передовые лазерные технологии.

Перед входом красный свет сигнализирует «ЛАЗЕР», показывая, безопасно ли входить.

Создание сетей кровеносных сосудов

Одной из самых больших проблем в 3D-биопечати является создание функциональных кровеносных сосудов. Кровеносные сосуды необходимы для снабжения клеток кислородом и питательными веществами, поэтому печать этих кровеносных сосудов в правильном месте является ключом к созданию жизнеспособных тканей.

Однако при традиционных методах печати 3D-проект создаётся до того, как станет известно, где находятся клетки в светочувствительном геле и где должны быть напечатаны кровеносные сосуды. С помощью GRACE принтер «видит», где находятся клетки, и за считанные секунды разрабатывает сеть кровеносных сосудов вокруг них как можно более эффективно.

Перспективы

GRACE может не только создавать адаптивные сети кровеносных сосудов. Технология также может автоматически согласовывать несколько этапов печати. Например, можно взять кусок напечатанной костной ткани, к которому позже нужно добавить слой хряща. Обычно это сложный процесс, требующий много ручной работы. GRACE сканирует существующую ткань и автоматически разрабатывает и печатает второй слой, который идеально ложится сверху.

Всё это происходит на высокой скорости объёмной биопечати, позволяя создавать объекты размером в кубические сантиметры за секунды.

Дальнейшая работа необходима, чтобы определить, как напечатанные клетки могут созревать и воспроизводить функциональность нативных тканей. Но даже с учётом предстоящих задач Риккардо не боится мечтать о большем.

«Эта первая работа над GRACE — только начало. Мы работаем над увеличением количества клеток, которые можно напечатать, чтобы можно было печатать другие ткани, такие как сердце и печень. Кроме того, мы хотим сделать эту технику доступной для других лабораторий, чтобы они могли применять её в своих методах печати».

Предоставлено Университетским медицинским центром Утрехта.

Источник