Штучна шкіра та кістка: що вміє біопринтер 16.10.2025 13:25 Укрінформ У Каразінському університеті вчені покращують технології біодруку та готують нових спеціалістів
У лабораторії Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна почав діяти роботизований біопринтер, за допомогою якого можливо створити аналоги шкіри, рогівки ока, кісткової та хрящової тканин. Для цього використовуються натуральні або штучні полімери, біосумісні метали, кераміка та живі клітини людини.
Як функціонує найсучасніше устаткування та які перспективи відкриваються для практичної медицини в Харкові, довідалися репортери Укрінформу.
ЗА ХАРАКТЕРИСТИКАМИ – ЄДИНИЙ У СХІДНІЙ ЄВРОПІ
Очільник лабораторії біомедичних досліджень “Karazin BioMed”, кандидат біологічних наук Юрій Кот повідомив, що біопринтер ціною 22 млн грн – неповторний нестандартний прилад. Його виготовляють винятково під конкретного замовника і з необхідними для нього особливостями. У компанії-виробника “харківський” принтер – 17-й за рахунком.
Юрій Кот
– А за наявною комплектацією він взагалі єдиний у Східній Європі. Одночасно з нами Чехія замовляла біопринтер. Але у них дві друкуючі головки, а у нас – п’ять, – відзначає керівник лабораторії.
Отже, унікальним обладнанням цікавляться науковці не тільки в Україні: університет вже уклав угоду з Національним інститутом охорони здоров'я та медичних досліджень Франції стосовно експериментальних розробок.
АБСОЛЮТНА СТЕРИЛЬНІСТЬ І “МАТРАЦИ” ДЛЯ КЛІТИН
Перш ніж принтер почне видруковувати біоінженерний конструкт (саме так іменується готовий виріб), на нього працює весь комплекс обладнання “Karazin BioMed”.
Процес стартує у стерильному боксі для вирощування клітин. Вхід – тільки у спеціальному костюмі. Всередині підтримується постійний позитивний тиск стерильного повітря (показник видно на манометрі), тому при відкритті дверей неочищені повітряні маси з іншої частини лабораторії в приміщення не потрапляють.
– Тут відбувається підготування клітин або біополімерів. Робота в культуральному боксі організована так, щоб запобігти контамінації (інфікуванню) культур клітин людини та реактивів мікроорганізмами. Однак, за сучасними протоколами, самого стерильного приміщення недостатньо: необхідно, щоб усі процеси відбувалися в ламінарному боксі. Це прилад, що очищує, стерилізує та направляє повітря з рівномірною швидкістю в ізольовану від навколишнього середовища робочу камеру. На робочій поверхні такого боксу можемо відкрити чашки Петрі чи флакончики з реактивами, не боячись, що відбудеться зараження, – пояснює науковець.
Ламінарний бокс
Робота за ламінарним боксом
Якщо потрібно роздрукувати, наприклад, штучну шкіру для пересадки, можливо взяти клітини у самого пацієнта – зробити біопсію.
– Ми вміємо виділяти різні види клітин людини та розмножувати їх у лабораторних умовах. Необхідні умови – температуру, вологість і навіть відповідний газовий склад атмосфери – забезпечує прилад, який називається вуглекислотний інкубатор. У робочій камері розміщують флакони з живильним середовищем для культивування клітин, науковим сленгом – “матраци”. Ми працюємо з багатоярусними флаконами: ось їх три, і на кожному “поверсі” росте шар товщиною в одну клітину, – демонструє очільник лабораторії.
Вуглекислотний інкубатор
Процес росту клітин контролюють за допомогою мікроскопа – теж з термостатом, підключенням вуглекислого газу, підтримкою вологості. Далі – перевірка на цитометрі.
Мікроскоп у стерильному боксі
Цитометр
– Він, по-перше, рахує клітини. Прилад робить точний підрахунок. Якщо там, умовно, 1 млн 200 тисяч 1 клітина, він так і визначить. Така точність важлива для розуміння того, скільки клітин напрацювали та чи їх вистачить для створення біоінженерного продукту. А найголовніше – що цитометр може аналізувати життєздатність клітин, визначати кількість живих, придатних для подальшої роботи, – пояснює Кот.
НАДРУКОВАНИЙ ВИРІБ МАЄ… ДОЗРІТИ
Перевірені клітини у достатній кількості направляють до принтера. Програмне забезпечення створює необхідну модель біоконструкта. Для “друку” застосовуються не тільки клітини, а й біополімери.
– Самі по собі клітини не збудують необхідний тривимірний об’єкт – їм потрібно за щось закріпитися. Біополімери створюють ніби каркас, арматуру. А власне процес біодруку відбувається з використанням спеціальних дозаторів, кожний з яких працює з певним типом матеріалу. У нас є два дозатори для клітин і два – для біополімерів. І вони можуть продукувати надтонкі волокна в мікрометровому та нанометровому діапазоні – в десять або навіть в тисячу разів тонші за людську волосину. Це зіставно з реальною товщиною волокон біополімерів у тканинах людини. І ще в нас є диспенсер розплавів – для біосумісних металів і металокераміки, – розповідає Кот.
Під час друку принтер одночасно використовує різні комбінації трьох технологій подавання матеріалів з використанням цих п'яти дозаторів. Об'єми матеріалів, якими оперує прилад, настільки малі, що побачити неозброєним оком процес просто неможливо – тільки загальну форму виробу.
– Це як своє ім’я, прізвище і всі контактні дані написати на площі міліметр на міліметр, – пропонує уявити Юрій Кот. – Тому контроль процесу в режимі реального часу відбувається під прицілом відеокамери високої роздільної здатності.
На друкуванні процес не закінчується: біоконструкт повертають у стерильний бокс і поміщають у ще один спеціальний прилад.
– Біопринтер не видає готовий продукт, це не конвеєр. Оскільки клітини мігрують та діляться постійно, потрібен час, щоб вони адаптувалися до нових умов і поступово мігрували у необхідні шари конструкту. Щоб на мікрорівні була повна або майже повна ідентичність до природних тканин, біоконструкт проходить так званий процес дозрівання у біореакторі.
Біореактор
Готовий виріб перевіряють на конфокальному мікроскопі – приладі, що дозволяє дослідити структуру штучної тканини, розподілення та стан клітин у ній. Все керування – з моніторів. Роботу мікроскопа науковець пояснює так:
Конфокальний мікроскоп
– Простими словами, це як томограма, тільки на мікрорівні. Ми наші біоінженерні конструкти досліджуємо у тривимірному просторі. Бачимо кожну клітину. Попередньо продукт обробляється спеціальними флуоресцентними реагентами-мітками. Після чого, наприклад, загиблі клітини світяться червоним кольором і програмне забезпечення може порахувати їх кількість у всьому об'ємі штучної тканини. 100% здорових і живих клітин не буває ніколи, вони досить вразливі в лабораторних умовах. Крім того, в штучних тканинах, як і в організмі, також відбувається процес загибелі клітин від старості. 90-95% життєздатності – це чудовий результат.
У ПРІОРИТЕТІ – КЛІНІЧНА ПРАКТИКА…
Створені біопринтером вироби знадобляться у трансплантології, реконструктивній хірургії, регенеративній медицині, травматології, ортопедії, кардіохірургії, стоматології та для тестування нових лікарських препаратів.
Біопринтер
– До появи біопринтера ми могли в лабораторії робити невеликі фрагменти еквівалентів шкіри, тепер же за якісь два тижні можна отримати досить великі за площею та стандартизовані фрагменти, придатні для використання в клініці. Штучна кістка – більш складний продукт, процес виготовлення може тривати до 20 діб, – зазначає Юрій Кот.
Університет має намір одержати ліцензію МОЗ на вироби медичного призначення. Очікується, що на це буде потрібно не менше року.
– Але вже зараз ми можемо брати участь у доклінічних та клінічних дослідженнях. Ми почали проводити семінари з лікарями-практиками, хірургами зокрема, які цікавляться нашими можливостями. Можемо виробляти еквіваленти шкіри для лікування опіків, еквіваленти хрящової та кісткової тканин для лікування травм опорно-рухового апарату, різноманітні покриття для пришвидшення загоєння ран та інше. Звісно, спочатку це будуть експериментальні вироби, бо ще не відпрацьовані та офіційно не затверджені протоколи. Але впровадження виробів у клінічну практику – наш пріоритет, – говорить Кот.
Перевірка надрукованого вироба
…І НАВЧАННЯ МАЙБУТНІХ БІОІНЖЕНЕРІВ
Комплекс обладнання лабораторії біомедичних досліджень “Karazin BioMed” створювався декілька років, переважно завдяки благодійникам, а також науковим грантам і цільовим коштам з державного бюджету. Біопринтер університет отримав у межах інвестиційному проєкту “Вдосконалення вищої освіти заради результатів” від Міністерства освіти і науки та Світового банку.
– Крім наукового та виробничого процесів, ми взяли на себе зобов’язання ввести це обладнання в освітній процес. Воно буде доступне для студентів і аспірантів біологічного, медичного та фізико-технічного факультетів. На наступний семестр ми вже змінюємо освітні програми, щоб були відповідні лабораторні роботи, тренінги, практикуми, сертифікатні короткотермінові програми, – говорить Кот.
Юлія Байрачна, Харків
Фото В’ячеслава Мадієвського / Укрінформ
Більше фото можна купити тут.
Медицина Наука Технології Здоров'я Університет
