Студенты СПбГУ разработали прототип принтера для 3D-печати тканей человека

Команда «Биопринтер» создала прототип 3D-принтера, который позволит печатать биологические ткани и поможет эффективнее и быстрее проводить исследования в лабораториях, а в перспективе — печатать органы для трансплантаций. Разработка студентов прошла в финал конкурса «Start-up СПбГУ — 2021».

Два экструдера и очиститель внутри

В мире немало компаний занимаются 3D-биопринтингом, однако в России пока нет ни одной, которая запустила бы их массовое производство. Известные модели довольно дорогие, к тому же почти все они имеют только один экструдер — устройство, которое и производит печать. Большинство биологических тканей невозможно напечатать достаточно точно таким способом. Студенты СПбГУ решили самостоятельно создать принтер с двумя экструдерами и необходимыми базовыми функциями, который можно будет использовать для разных целей.

Для печати биоматериалами важна чистота воздуха, поэтому в лабораториях используют специальный ламинарный шкаф для создания стерильных условий. Чтобы упростить работу, мы решили встроить эту функцию в область печати принтера. Такое устройство можно будет поставить на обычный рабочий стол и начать печать без специальной подготовки.

Капитан команды «Биопринтер», обучающийся второго курса магистратуры по направлению «Физика» Тимур Аминев

Еще одно преимущество разработки — низкая стоимость. Сегодня мало лабораторий могут позволить себе приобрести дорогие биопринтеры и адаптировать их под свои запросы. К тому же такие устройства научные сотрудники вынуждены приобретать за границей, а при поломке — чинить их у компании-производителя. Это занимает много времени и увеличивает стоимость оборудования. Чтобы решить эту проблему, студенты взяли конструирование принтера и разработку программного обеспечения на себя. По словам капитана команды Тимура Аминева, 3D-биопринтер «в минимальной комплектации» смогут себе позволить даже небольшие лаборатории: участники предполагают, что их устройство будет стоить около 300 тысяч рублей, что в несколько раз дешевле существующих аналогов.

Вместо пластика — биополимеры

Главное отличие 3D-биопринтера от обычного устройства для 3D-печати заключается в используемом материале: вместо пластика экструдер подает на печать биоматериалы и биополимеры, с помощью которых можно создавать биологические ткани (например, кожу для людей, потерявших ее при пожарах), а в перспективе — печатать целые органы для трансплантаций.

«У нашего проекта два варианта комплектации: максимально функциональный и максимально недорогой. Второй образец принтера со всеми необходимыми опциями мы и представим как стартап-проект. Он позволит современным лабораториям "выращивать" ткани и проводить более точные исследования. Для него мы используем универсальный конструкционный профиль, а экструдеры создаем сами, что и уменьшает стоимость готового оборудования», — отметил Тимур Аминев, капитан команды «Биопринтер», обучающийся второго курса магистратуры по направлению «Физика».

В тестовом образце, который команда представляет на конкурсе, используются два печатающих экструдера разного типа. Поршневой с двумя термическими зонами будет производить печать биовеществами, а из шприцевого экструдера будет подаваться клеточная суспензия. Словом, один материал будет дополняться другим. При таком способе печати из шприца с иглой очень маленького диаметра подается суспензия, образуя небольшую каплю. Затем шприц касается рабочей поверхности, капля остается на ней, а шприц переходит в другую точку и повторяет процедуру. Так клетки заселяют каркас из биоматериала, который был напечатан поршневым экструдером. Этот подход поможет печатать больше образцов, что ускорит исследования.

Интерес к разработке

Идея создания 3D-биопринтера команде разработчиков пришла в голову около двух лет назад. «Проектная мастерская» СПбГУ выделила средства на создание первой модели. В прошлом году начинающие предприниматели уже принимали участие в конкурсе стартапов, но не смогли пройти дальше отборочного этапа. Сегодня доработанный проект позволил им выйти в финал состязания и побороться за главный приз — миллион рублей на развитие своего стартапа.

Кроме того, команда сегодня сотрудничает с Институтом цитологии РАН. Чтобы найти партнеров среди научных организаций, разработчики смоделировали образец своего принтера и разослали его по лабораториям Санкт-Петербурга, которые занимаются 3D-биопечатью. Институт цитологии РАН откликнулся на запрос и заинтересовался разработкой студентов СПбГУ — их биопринтер в будущем может помочь в создании и исследовании искусственных хрящевых тканей.

Конечно, отмечают авторы проекта, для работы с биоматериалами и создания органов с помощью 3D-печати одного принтера будет недостаточно. Создание образцов, скажем, искусственной кожи требует строгих условий работы: чистого воздуха, стерильного хранения и тщательно налаженного производства.

Разработка студентов СПбГУ может помочь лабораториям, которые занимаются более простыми задачами, — например, исследуют поведение выращенных в чашке Петри тканей. Такие ткани можно будет печатать на принтере и проводить более точные и быстрые исследования. При этом биопринтер можно усовершенствовать и в перспективе печатать на нем органы и ткани для клинического применения.

В команду проекта «Биопринтер» входят:

  • Тимур Аминев — обучающийся второго курса магистратуры СПбГУ по направлению «Физика», отвечает за конструирование принтера и работу команды
  • Василий Кутузов — обучающийся первого курса магистратуры СПбГУ по направлению «Физика», отвечает за разработку электроники и редактирование прошивки принтера
  • Петр Турченко — обучающийся первого курса бакалавриата СПбГУ по направлению «Физика», занимается закупкой комплектующих и сборкой принтера, а также тестированием систем
  • Александр Ковальчук — обучающийся третьего курса бакалавриата СПбГУ по направлению «Прикладная математика и информатика», работает с микроконтроллерами и занимается разработкой программного обеспечения
  • Полина Жукунова — выпускница Финансового университета при Правительстве РФ и РЭУ имени Г. В. Плеханова по специальности «мировая экономика», обучающаяся первого курса бакалавриата СПбГУ по направлению «Биология», разрабатывает маркетинговые стратегии и занимается бизнес-аналитикой

Конкурс «Start-up СПбГУ» проходит в Университете уже в шестой раз. Команды, представившие самые наукоемкие и коммерчески перспективные бизнес-модели, получат денежные призы от эндаумент-фонда СПбГУ. Первое место принесет 300 000 рублей, второе — 200 000 рублей, а третье — 100 000 рублей. Кроме того, двум победившим командам могут предложить создать совместно с Университетом малые инновационные предприятия. Гранты на их развитие составят 1 000 000 и 700 000 рублей. Подробную информацию о конкурсе «Start-up СПбГУ — 2021» можно узнать на сайте эндаумент-фонда СПбГУ.