Гибридная 3D-печать и ИИ: создание капиллярных сетей для тканевой инженерии
Если у 2026 года в биопечати и будет своя тема, то это кровеносные сосуды. Ученые уже способны печатать невероятно сложные ткани. Самое сложное — поддерживать в них жизнь. Без сети кровеносных сосудов, доставляющих кислород и питательные вещества, крупные ткани быстро погибают. Это ключевая проблема, вокруг которой строится сотрудничество Университета Нотр-Дам и Гарвардской медицинской школы.
В последние месяцы исследователи под руководством Яньляна Чжана, доцента кафедры аэрокосмической и механической инженерии Университета Нотр-Дам, и Ю Шрика Чжана, профессора Гарвардской медицинской школы и штатного биоинженера в больнице Бригама и Женщин, сосредоточились на одном из главных препятствий регенеративной медицины: воссоздании сосудистых сетей, поддерживающих живую ткань. Их последняя работа, опубликованная в Nature Chemical Engineering, дополняет более масштабные усилия, включая недавно анонсированный проект, финансируемый Национальными институтами здравоохранения (NIH), направленный на развитие органной инженерии и изготовления тканей.
В ходе исследования ученые разработали новый способ 3D-печати миниатюрных структур, напоминающих кровеносные сосуды. Метод объединяет два подхода: один для построения крупных тканевых структур, другой — для создания чрезвычайно малых каналов, которые впоследствии могут функционировать как сосуды. Согласно статье, озаглавленной «Гибридная биопечать иерархических сосудистых сетей с капиллярным разрешением», технология сочетает традиционную экструзионную биопечать с высокоразрешающей аэрозольной струйной печатью. Последняя создает крошечные жертвенные каналы, которые затем превращаются в подобие сосудов. Система построена на базе собственного гибридного принтера, разработанного командой и объединяющего обе технологии в единую платформу. Вместо покупного биопринтера инженеры собрали собственную установку, интегрирующую два производственных метода: один оптимизирован для крупных структур, другой — для деталей капиллярного масштаба.
Используя эту технику, команда создала каналы диаметром менее 10 микрон, что приближается к размеру самых мелких сосудов в теле — капилляров. В некоторых случаях исследователи получали каналы размером от 5 до 6 микрон. Они могут регулировать размер и форму каналов во время печати, создавая более реалистичные сосудистые сети. Технология не ограничена одним типоразмером сосуда: команда продемонстрировала сети, варьирующиеся от крупных каналов до капиллярных структур, формируя ветвящиеся иерархии, напоминающие естественную сосудистую систему организма.
Систему поддерживает машинное обучение. В частности, используется байесовская оптимизация, помогающая быстро найти наилучшие параметры печати для создания каналов нужного размера. Это сокращает время на экспериментальный подбор и ускоряет разработку. Согласно исследованию, система оптимизации обычно находила требуемые параметры примерно за восемь циклов тестирования, сохраняя при этом высокое качество печати.
В лабораторных экспериментах клетки, выстилающие каналы, формировали непрерывные слои, подобные сосудистым, и оставались здоровыми в процессе роста. Это говорит о том, что подход может поддержать развитие более реалистичных инженерных тканей. Согласно статье, клетки не просто выживали, а «прикреплялись к стенкам каналов, распространялись по структурам и образовывали выстилку, поведение которой напоминало выстилку естественных кровеносных сосудов». Это важно, так как цель — не просто напечатать крошечные образцы в лаборатории, а сделать биопечатные ткани более крупными, стабильными и пригодными для медицины. По мере роста тканям, особенно глубоким слоям, необходимы кислород и питательные вещества, а также отвод отходов. Без поддержки этого обмена крупные ткани погибают.
Работа является частью более масштабного проекта NIH, анонсированного ранее в этом году. Четырехлетний проект стоимостью 2,6 миллиона долларов нацелен на создание васкуляризированных тканей — тканей с сетью кровеносных сосудов, необходимых для выживания и функционирования. Цель — перейти от мелких лабораторных образцов к более крупным, клинически значимым инженерным тканям.
Команда считает, что сочетание оптимизации с помощью машинного обучения, контроля над размером сосудов в реальном времени и капиллярного разрешения сделает технологию полезной для тканевой инженерии, регенеративной медицины и разработки лекарств.
По словам авторов, в ближайшей перспективе технология может найти применение в тестировании лекарств и моделировании заболеваний. Более реалистичные васкуляризированные ткани дадут исследователям лучшие способы изучения болезней человека и проверки терапии в лаборатории до перехода к испытаниям на животных или клиническим исследованиям. В долгосрочной перспективе та же работа может приблизить создание более крупных инженерных тканей и, в конечном счете, выращенных в лаборатории органов.
Для демонстрации технологии команда напечатала простые каналы, ветвящиеся сосудистые деревья и более сложные трехмерные сосудистые сети, встроенные в мягкие ткани. Они также показали, что жидкости могут течь через эти сети, а эндотелиальные клетки — успешно выстилать каналы. Это важный шаг к созданию функционального сосудистого русла.
Одна из главных проблем биопечати — поддержание жизни в тканях. Клеткам необходим постоянный приток кислорода и питательных веществ, который в организме обеспечивает огромная сеть кровеносных сосудов. Команда из Нотр-Дам и Гарварда считает, что их гибридный подход предлагает путь к преодолению этих ограничений.
Ученые работают над этой проблемой годами. Исследователи, такие как Дженнифер Льюис, Марк Скайлар-Скотт, Адам Файнберг и другие, уже продвинули методы создания сосудистых структур внутри инженерных тканей. Новая работа — очередной шаг к созданию сетей кровеносных сосудов, которые выглядят и ведут себя больше как те, что встречаются в человеческом теле.
Применение в России и СНГ
Разработки в области гибридной биопечати и создания капиллярных сетей имеют прямое отношение к задачам российской регенеративной медицины и тканевой инженерии. В России и странах СНГ активно ведутся исследования по 3D-печати биосовместимыми материалами, однако ключевым ограничением остается именно васкуляризация — без решения этой проблемы невозможно создание функциональных объемных тканей и органов. Предложенный метод, сочетающий аэрозольную струйную печать с машинным обучением, представляет практический интерес для научных центров и лабораторий, работающих в области клеточных технологий и имплантологии. В первую очередь, технология может быть востребована в фармацевтике для создания реалистичных моделей тканей при тестировании новых лекарственных препаратов. Кроме того, отечественные интеграторы и научные группы, специализирующиеся на биопечати, уже изучают зарубежный опыт и работают над адаптацией подобных подходов для решения локальных задач — от создания сосудистых каркасов для замещения дефектов тканей до разработки тестовых систем в доклинических исследованиях.
