Биопечать – относительно новая технология, развивающаяся в основном методом проб и ошибок. Ученые теперь используют законы физики и прогнозирующее компьютерное моделирование, чтобы улучшить эти методы и оптимизировать процесс биопечати. Эти новые достижения рассматриваются в выпуске журнала Applied Physics Reviews от 4 июня от AIP Publishing.
Наиболее широко используемые биопринтеры – это экструзионные, струйные и лазерные принтеры. Каждый тип включает в себя немного разную физику, и у каждого есть свои преимущества и недостатки.
Соавтор Ашкан Шафи сказал: «Единственный способ добиться значительного перехода от« проб и ошибок »к фазе« прогнозирования и контроля »биопечати – это понять и применить физику, лежащую в основе."
Экструзионный принтер загружает материал, известный как биочернила, в шприц и печатает его, выталкивая чернила с помощью поршня или давления воздуха.
Биочернила может представлять собой набор чистых живых клеток или суспензию клеток в гидрогеле или полимере. Струйные биопринтеры работают аналогичным образом, но используют пьезоэлектрический кристалл или нагреватель для создания капель из небольшого отверстия.
Лазерные принтеры фокусируют лазерный луч на ленте, по которой распространяется тонкий слой биочернилы, что обеспечивает высокую жизнеспособность клеток.
Биологические продукты, созданные с помощью биопечати, как правило, не подлежат немедленному использованию. Хотя принтер может создавать начальную конфигурацию ячеек, эти ячейки будут размножаться и собираться в новую конфигурацию.
Процесс похож на то, что происходит, когда эмбрион развивается, когда клетки сливаются с другими клетками и сортируются в новые области.
Методы компьютерного моделирования были разработаны в середине 2010-х годов для оптимизации этапа самосборки после печати при биопечати, когда небольшие фрагменты ткани доставляются в поддерживающий материал с желаемой формой биологической структуры, такой как орган, с помощью биочернила. Затем мелкие фрагменты развиваются дальше и самостоятельно собираются в окончательную биологическую структуру.
Модель включает уравнения, которые описывают силы притяжения и отталкивания между ячейками. Авторы показали, что моделирование с использованием этого метода, известного как динамика клеточных частиц или CPD, правильно предсказывает паттерн, в котором будет собираться набор клеток после начального этапа печати.