Инженерные аспекты биопечати: анатомия биопринтера

В настоящее время значительным технологическим изменениям подвергаются различные сферы общества: образование, культура, строительство, финансы, однако здравоохранение – это особенно важная отрасль, где технологические изменения в будущем человеку жить дольше, быть более здоровым, а также, вероятно, воплотить мечты о бессмертии, как происходит у медузы вида turritopsis nutricula, считающейся единственным бессмертным существом на Земле. Люди хотят достичь бессмертия, либо более здоровой и продолжительной жизни посредством замены органов или даже частей тела, с чем может помочь феномен биопечати. Z. Gu, J. Fu, H. Lin и Y. He считают биопечать [или биопринтинг] движимой мечтой развития человечества, обусловленной желанием получить более совершенную технологию трансплантации органов и тканей [4]. Биопринтинг, или биопечать основана на технологии 3D-моделирования, и её единицей является биопринтер.
Говоря об архитектуре принтеров в биопринтинге, нужно отметить, что в биопечати используются три основных типа принтеров: струйные, лазерные и экструзионные принтеры. Начнем обзор с архитектуры струйного биопринтера, превалирующие конструктивные характеристики которого представлены ниже [5], [1]:
1. Наиболее распространенный тип биопринтера с точки зрения инженерии;
2. Базовая архитектурная модификация – 2D-принтер с картиджем, из которого переделали в 3D формат;
3. Картридж (резервуар), куда помещается биоматериал (биочернила), с помощью которых будет происходить биопечать;
4. Чернильная камера – служит для переноса биоматериала из картриджа к печатающей головке;
5. Поддон, на котором будет располагаться напечатанный биочернилами объект, поддон формирует конструкцию конечного продукта;
6. Печатающая головка [в оси Z] – в ней находится непосредственно картридж, из которого и выходит биоматериал для печати;
7. Нагревательный элемент в сопле – способствует нагреванию биоматериала, температура достигает 200-300оС;
8. Сопло – устройство на конце печатающей головки, через которое поступает биоматериал;
9. Акустическое устройство [в акустических струйных биопринтерах] – формирование капель из биоматериала одинакового размера для контроля их частоты и выброса посредством передачи звукового излучения;
10. «Open-pull» система [в акустических струйных биопринтерах] – система используется вместо сопла для подачи биоматериала с помощью разбрызгивания на поддон для инициации биопечати;
11. Электронная система – управляет процессом печати на струйном биопринтере;
12. Система ультрафиолетового излучения – система устанавливается выборочно, если необходимо дополнительное фотоотвердение биоматериала;
13. Система подачи химических реагентов – система устанавливается выборочно, если биочернила нуждаются в катализаторе, который позволит инициировать процесс отвердения.
Тем не менее, нужно отметить, что по архитектуре различаются два типа биопринтера струйной печати: термальный и пьезоэлектрический. Переходя более конкретно к архитектуре термального биопринтера, необходимо подчеркнуть, что его конструктивные характеристики подходят общему строению биопринтера на струйной печати, что было отмечено выше, однако в его сопле в печатающей головке находится нагревательный элемент минимальных масштабов, позволяющий с помощью проводимого электрического тока выбрасывать жидкий биоматериал из сопла и инициировать биопечать

. Вместо нагревателя в пьезоэлектрическом струйном биопринтере используется пьезоэлектрический кристалл, основная задача которого – создание необходимого давления для выброса жидкого биоматериала (биоинк/биочернила) для непосредственной печати.
В работе H. Cui и др. авторов отмечается еще один вид струйной печати, который только получает своё развитие, и не используется в промышленных масштабах – пневматическая струйная печать. Архитектура такого биопринтера такая же общая, как и у струйного принтера, но в печатающей головке располагается пневматический микроклапан, его задача – создавать пневматическое давления для контроля объема капель биоматериала, поступающего на поддон. Помимо этого, в головке находится жидкостный канал, по которому и переходят биочернила для печати к микроклапану, а после и выходя через сопло [1].
Говоря о лазерном типе биопринтера, его архитектура строится с использованием следующих элементов в его конструкции [5], [1]:
1. Устройство передачи импульсного лазерного луча – основная задача устройства состоит в направляющем воздействии энергии лазерного луча на биочернила в жидком виде для формирования субстрата;
2. Лента – обеспечение «транспорта» лазерного луча с технологией создания пузыря высокого давления для продвижения вещества, состоит из слоя стекла [с напылением из Au или Ti] и слоя биоматериала;
3. Фокусирующая система – система, с помощью которой происходит фиксация лазерного луча и обеспечение его направляемости на биосубстрат;
4. Коллектор – устройство с подложкой, где располагается биоматериал после его передачи через ленту, важный параметр – смачиваемость, способствующая адгезии биоматериала;
5. Система поглощающего слоя – основная задача – передача тепла при формировании капель биочернил, регуляция вязкости и толщины биочернильного материала, имеется слой для абсорбции энергии, передаваемой через импульс лазерного луча;
6. Картридж – в нём находятся биологические вещества для биопечати. Может быть в форме шприца или ручки;
7. Донорский слайд – система на подложке для принятия биоматериала, основная задача – его удержание и формирование;
8. Электронная система – управляет процессом печати на лазерном биопринтере.
Некоторые авторы предлагают включить еще один подвид лазерной биопечати – лазерная стереолитография, обладающая очень высоким разрешением и точностью. Но данная технология характеризуется еще и очень высокой стоимостью, а также ограниченной доступностью биоматериалов для неё, поэтому она пока что не используется в промышленных масштабах. Архитектура биопринтера на этой технологии такая же, как и у лазерного, однако имеются некоторые добавочные особенности [1]:
1. Пространственно управляемое устройство облучения светом или лазером – позволяет инициировать отвердение геометрически двухслойного рисунка с применением селективной фотополимеризации;
2. Устройство сканирования лазерного луча – контроль для отверждения биочернил на 2D-рисунке;
3. Система ввода условий лазерного облучения – механизмы, основная задача которых контроль за длиной волны, размером лазерного пятна, мощности луча, времени/скорости воздействия или рассеивании луча;
4