Трехмерная 3D-биопечать: основы технологии и ее использование в интересах биологии и медицины

Настоящий обзор посвящен одной из актуальных проблем современных биологии и медицины, свидетелями бурного развития которых мы являемся. Представлена информация о сущности метода 3D-nечати, оборудовании, используемом для изготовления трехмерных биопродуктов, и природе расходных материалов - биочернил, наполнителей и клеток, которые в ходе биопечати превращаются в трехмерный продукт, характеризующийся жизнеспособностью и экспрессией специфических маркерных факторов соответствующих тканей и органов. Особый акцент сделан на перспективах использования при биопечати стволовых клеток наряду с самыми разнообразными клетками тканей и органов. Дано описание методов 3D-печати - струйного, экструзионного и лазерного и рассмотрены преимущества и недостатки каждого из них. Подробно описываются биочернила, их состав, использование в различных технологиях биопечати и стратегия подбора носителей и клеточного состава биочернил, определяющих жизнеспособность трехмерных структур и возможность их применения в клинической практике. Приводится краткий перечень достижений в области биопечати различных тканей организма и дается характеристика получаемых биопродуктов. Отмечаются значительный прогресс и перспективность исследований в данной области.

1. AlGhamdi, K. M. Low-level laser therapy: a useful techniqueс for enhancing the proliferation of various cultured cells / K. M. AlGhamdi, A. Kumar, N. A. Moussa // Lasers Med. Sci. - 2012. - Vol. 27, N 1. - P. 2З7-249. https://doi.org/10.1007/S10103-011-0885-2

2. Tsoulfas, G. ЗЭ printing applications in medicine and surgery / G. Tsoulfas, P. I. Bangeas, J. Suri. - Amsterdam : Elsevier, 2020. - 185 p.

3. Wust, S. Controlled positioning of cells in biomaterials - approaches towards 3D tissue printing / S. Wust, R. Muller, S. Hofmann // J. Funct. Biomater. - 2011. - Vol. 2, N 3. - P. 119-154. https://doi.org/10.3390/jfb2030119

4. 3D printing in medicine. A practical guide for medical professionals / eds. : F. J. Rybicky, G. T. Grant. - Cham : Springer Nature, 2017. - 138 p.

5. Zorlutuna, P. The expanding world of tissue engineering: the building blocks and new applications of tissue engineered constructs / P. Zorlutuna, N. E. Vrana, A. Khademhosseini // IEEE Rev. Biomed. Eng. - 2013. - Vol. 6. - P. 47-62 . https://doi.org/10.1109/RBME.2012.2233468

6. 3D printing of human tissue: biofabrication, bioinks, bioreactors / J. Zhang [et al.] // Int. J. Mol. Sci. - 2021. - Vol. 22, N 8. - P. 3971-3992. https://doi.org/10.3390/ijms22083971

7. Zhu, J. Design properties of hydrogel tissue-engineering scaffolds / J. Zhu, R. T. Marchant // Exp. Rev. Med. Devices. -2011. - Vol. 8, N 5. - P. 607-626. https://doi.org/10.1586/erd.11.27

8. Layer-by-layer build-up of polysaccharide-containing films: physico-chemical properties and mesenchymal stem cells adhesion / V. I. Kulikouskaya [et al.] // J. Biomed. Mater. Res. Part A. - 2018. - Vol. 106, N 8. - P. 2093-2104. https://doi.org/10.1002/jbm.a.36408

9. Биополимерные мультислойные пленки в качестве носителей мезенхимальных стволовых клеток / В. И. Куликовская [и др.] // Докл. НАН Беларуси. - 2017. - T. 61, №. 3. - С. 38-46.

10. Fabrication and characterization of ultrathin spin-coated poly (L-lactic acid) films suitable for cell attachment and curcumin loading / V. Kulikouskaya [et al.] // Biomed. Mater. - 2020. - Vol. 15, N 6. - Art. 065022. https://doi.org/10.1088/1748-605X/aba40a

11. Tunable hydrogel composite with two-step processing in combination with innovative hardware upgrade for cellbased three-dimensional biopriting / S. Wust [et al.] // Acta Biomater. - 2014. - Vol. 10, N 2. - P. 630-640. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2013.10.016

12. Skeldon, G. Three-dimension bioprinting of stem cells derived tissues for human regenerative medicine / G. Skeldon, B. Lucendo-Villarin, W. Shu // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B, Biol. Sci. - 2018. - Vol. 373. - Art. 20170224. https://doi.org/10.1098/rstb.2017.0224

13. Three-dimensional printing of stem cell-laden hydrogels submerged in a hydrophobic high-density fluid / D. F. D. Campos [et al.] // Biofabrication. - 2012. - Vol. 5, N 1. - Art. 015003. https://doi.org/10.1088/1758-5082/5/1/015003

14. 3D bioprinting for engineering complex tissues / C. Mandrycky [et al.] // Adv. Biotechnol. - 2016. - Vol. 34, N 4. -P. 422-434. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2015.12.011

15. Guillotin, B. Cell patterning technologies for organotypic tissue fabrication / B. Guillotin, F. Guillemot // Trends Biotechnol. - 2011. - Vol. 29, N 4. - P. 183-190. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2010.12.008

16. Adipogenic differentiation of laser-printed 3D tissue grafts consisting of human adipose-derived stem cells / M. Gruene [et al.] // Biofabrication. - 2011. - Vol. 3, N 1. - Art. 015005. https://doi.org/10.1088/1758-5082/3/1/015005

17. In vivo chondrogenesis in 3D bioprinted human cell-laden hydrogel constructs / T. Moller [et al.] // Plast. Reconstr. Surg. Glob. Open. - 2017. - Vol. 5, N 2. - P. e1227. https://doi.org/10.1097/GOX.0000000000001227

18. Development of liver decellularized extracellular matrix bioink for three-dimensional cell printing-based liver tissue engineering / H. Lee [et al.] // Biomacromolecules. - 2017. - Vol. 18, N 4. - P. 1229-1237. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.6b01908

19. Tissue-engineered heart valves / E. Filova [et al.] // Physiol. Res. - 2009. - Vol. 58, N 2. - P. S141- S158. https://doi.org/10.33549/physiolres.931919

20. Complex heterogeneous tissue constructs containing multiple cell types prepared by inkjet printing technology / T. Xu [et al.] // Biomaterials. - 2013. - Vol. 34, N 1. - P. 130-139. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2012.09.035