Вэй Сунь и SunP Biotech: как инженер-механик строил биофабрикацию

1. 1
   Биофабрикация шире биопечати: в неё входят и печать клетками, и сборка тканей из готовых клеточных блоков. Машиностроение с самого начала называли одной из трёх её базовых дисциплин.
2. 2
   Вэй Сунь получил три степени по машиностроению (1982, 1988, 1992), преподавал в Университете Дрекселя в США с 1998 года и стал там полным профессором в 2007 году. Сегодня он профессор-эмерит Дрекселя и профессор Университета Цинхуа в Пекине.
3. 3
   Он главный редактор журнала Biofabrication, который IOP Publishing выпускает с 2009 года, и президент-основатель международного научного общества ISBF, которым руководил в 2010-2014 годах.
4. 4
   В 2014 году его группа в Цинхуа напечатала модель опухоли шейки матки из клеток HeLa: выжили больше 90 % клеток, и в объёмной решётке они вели себя ближе к опухоли, чем в плоской культуре.
5. 5
   SunP Biotech выпускает три настольных биопринтера BioMaker, напольные системы ALPHA, собственные биочернила и печатает конструкции на заказ. Ключевая технология - электромеханическая микроэкструзия: материал подаёт привод, а не сжатый воздух.
6. 6
   Главное, что даёт лаборатории происхождение прибора: опубликованные методики. Принтер от компании, выросшей из научной школы, приходит вместе с протоколами, которые уже кто-то проверил.

Термин закрепился вместе с одноимённым журналом. В его первом томе в 2009 году группа Владимира Миронова определила биофабрикацию как производство сложных биологических изделий из живых клеток, молекул, внеклеточного матрикса и биоматериалов. Базовыми дисциплинами авторы назвали клеточную биологию и биологию развития, науку о биоматериалах и машиностроение. Применения они видели шире, чем пересадка органов: модели тканей человека для поиска лекарств и проверки токсичности, модели развития и болезней.

В 2016 году большая группа авторов журнала уточнила определение: внутри области есть две взаимодополняющие стратегии, биопечать и биосборка. Биопечать укладывает материал с клетками по цифровой модели слой за слоем. Биосборка собирает конструкцию из заранее сформированных клеточных блоков. Принтер в обоих случаях - только инструмент: задача области шире, чем любая отдельная машина.

Почему в списке дисциплин стоит машиностроение, понятно, если посмотреть на биопринтер глазами инженера. Это трёхосевой манипулятор с дозаторами, соплами, нагревом и охлаждением, траекторией из слайсера и требованием к точности укладки. Разница с обычным 3D-принтером в сырье: клетку нельзя перегреть, пересушить или раздавить в сопле. Как это выглядит на практике, мы разбирали в статье о биопечати гидрогелями на примере поставки в МИРЭА.

Отсюда и путь многих людей в эту область: они приходили из проектирования и аддитивного производства, а не из биологии. Вэй Сунь - характерный пример такого пути. Шире о том, где 3D-печать уже работает в клинике и где биопечать пока остаётся перспективой, - в обзоре 3D-печати в медицине.

Вэй Сунь не изобретал биопечать в одиночку: этим занимались десятки групп по всему миру. Его вклад в другом. Он сделал то, без чего разрозненные эксперименты не становятся отраслью: дал им общий журнал, профессиональное общество и общий язык, на котором инженеры и биологи понимают друг друга.

Из машиностроения в живые ткани

В 1982 году Сунь окончил Хэфэйский технологический университет в Китае по специальности «машиностроение». Магистерскую (1988) и докторскую (1992) степени по машиностроению он получил в Университете Дрекселя в Филадельфии. С 1998 года преподавал там на кафедре машиностроения и механики, в 2001 году год работал приглашённым исследователем в Исследовательской лаборатории армии США, с 2007 года - полный профессор. Сегодня в профиле Университета Дрекселя он значится профессором-эмеритом.

Темы его исследований в том же профиле перечислены так: компьютерная тканевая инженерия, послойное изготовление без оснастки, системы CAD/CAM, проектирование наноустройств. Ключевое слово здесь первое. В 2004 году Сунь с соавторами опубликовал в журнале Biotechnology and Applied Biochemistry обзор Computer-aided tissue engineering. В нём методы, привычные машиностроителю (трёхмерная реконструкция по томограммам, проектирование в CAD, расчёт и послойное изготовление), применены к тканям и каркасам для клеток.

Идея проста и сильна: каркас для клеток проектируется как деталь. Только вместо прочности на изгиб считают пористость, размер каналов и то, дойдут ли питательные вещества до клеток в глубине конструкции.

Журнал Biofabrication

В 2009 году британское издательство IOP Publishing начало выпускать журнал Biofabrication. Вэй Сунь - его главный редактор: в редакционном совете издательства он указан с двумя местами работы, Университетом Дрекселя и Университетом Цинхуа. Сегодня это официальный журнал общества ISBF. SunP называет Суня основателем журнала, а сам журнал - первым изданием отрасли.

Для молодой области свой журнал значит очень много. Пока работы по биопечати выходили в изданиях по биоматериалам, машиностроению и клеточной биологии, их трудно было увидеть как одно направление. Общий журнал собрал их в одном месте и задал планку, по которой работу в этой области оценивают рецензенты.

Общество ISBF

Международное общество биофабрикации (ISBF) основано в 2010 году как некоммерческое научное и профессиональное сообщество. На странице руководства ISBF Вэй Сунь указан президентом-основателем на 2010-2014 годы; после него обществом руководили Йос Малда, Джеймс Ю и Тим Вудфилд. Сунь и сейчас входит в совет директоров ISBF как представитель Университета Цинхуа.

Общество проводит ежегодную конференцию Biofabrication и вручает премии исследователям. Одну из них, ISBF Senior Investigator Award, Сунь получил в 2017 году.

Цинхуа и модель опухоли

Параллельно с Дрекселем Сунь работает в Университете Цинхуа, одном из ведущих вузов Китая. В 2014 году группа Центра биопроизводства кафедры машиностроения Цинхуа (Сунь - последний автор статьи) напечатала трёхмерную модель опухоли шейки матки. Клетки HeLa смешали с гидрогелем из желатина, альгината и фибриногена и уложили решёткой. В подобранном режиме печати выжили больше 90 % клеток (Zhao и соавторы, Biofabrication, 2014; мы читали аннотацию статьи).

Результат интересен не числом выживших клеток, а их поведением. В напечатанной решётке клетки HeLa делились быстрее, чем в плоской культуре, собирались в сфероиды, а не в монослой, вырабатывали больше ферментов, разрушающих матрикс, и сильнее сопротивлялись химиотерапии. Это свойства настоящей опухоли. Для фармакологии разница принципиальная: препарат, который хорошо работает на плоской культуре, может не сработать в организме, и модель, похожая на опухоль, сокращает этот разрыв.

Книги, награды, экспертиза

1. 1
   В 2013 году вместе с Габором Форгачем Сунь выпустил в издательстве Elsevier монографию Biofabrication: Micro- and Nano-Fabrication, Printing, Patterning, and Assemblies. На китайском языке у него есть монография о технологиях 3D-печати биоматериалами и их применении.
2. 2
   Награды из профиля Дрекселя: премия инженерного колледжа Дрекселя за выдающиеся исследования (2009), стипендия William Mong Университета Гонконга (2008), ISBF Senior Investigator Award (2017), звание Distinguished Visiting Fellow Королевской инженерной академии Великобритании (2018).
3. 3
   На сайте SunP указано, что Сунь возглавляет профильные комитеты по биопроизводству Китайского общества биоматериалов и Китайского общества машиностроения и консультировал по стратегии биопечати ведомства Китая (министерства промышленности, науки и образования, фонд естественных наук, регулятор лекарств) и США (Министерство обороны, Министерство торговли, Национальные институты здравоохранения, Национальный научный фонд).

Биопринтер - не станок, который достаточно правильно собрать. Результат печати живыми клетками зависит от десятков параметров: вязкости биочернил при данной температуре, скорости подачи, диаметра сопла, времени и способа сшивки. Эти режимы подбирают экспериментально и описывают в научных статьях. Когда прибор выпускает компания, выросшая из лаборатории, вместе с ним приходят опубликованные протоколы, и лаборатория-покупатель начинает не с нуля.

SunP Biotech работает в пекинском районе Чжунгуаньцунь, где сосредоточены технологические компании и научные институты. На странице «О компании» сайта SunP её основой названы биопроизводство и 3D-биопечать, а направлениями - оборудование для биопечати, биочернила и применение напечатанных изделий в точной медицине, медицинских изделиях, моделях для скрининга лекарств, персонализированной терапии опухолей и тканевой инженерии.

Компания устроена как холдинг SunP International. Исследовательский институт в США ведёт передовые разработки и международное сотрудничество. Пекинская часть - центр исследований и производства для Азиатско-Тихоокеанского региона: здесь выпускают и продают биопринтеры и биочернила и печатают конструкции на заказ. Свой задел SunP описывает тремя числами: больше 20 лет исследований в биопечати, больше 60 патентов и больше 200 научных статей в журналах SCI. Сотрудники компании участвовали в национальных программах Китая, в том числе в программе 863 по технологиям построения сложных тканей и органов.

Среди партнёров на сайте SunP перечислены университеты Цинхуа, Пекинский, Уханьский, Сианьский Цзяотун, Китайский университет Гонконга, Пекинская больница Юнион, а за пределами Китая - Гарвард, MIT, Колумбийский университет, Имперский колледж Лондона, Национальный университет Сингапура, университеты Токио и Сиднея. В 2018 году настольный и напольный биопринтеры SunP получили серебряную и бронзовую награды итальянского конкурса A' Design Award. Корпуса проектировали вместе американская и китайская команды компании и дизайн-студия: для научного прибора, который обычно делают по принципу «лишь бы работало», это редкость. Сводка о производителе и все модели в каталоге - на странице бренда SunP.

Подача без сжатого воздуха

Большинство экструзионных биопринтеров выдавливают материал сжатым воздухом. Это просто, но объём на выходе зависит от давления, вязкости, температуры и того, сколько материала осталось в шприце. Воздух сжимается, поэтому подача отстаёт от команды, а после остановки давление ещё держится. Вязкой пасте нужно высокое давление и компрессор, жидкий гель между ходами подтекает.

SunP сделала ставку на электромеханическую микроэкструзию: поршень двигает привод, и объём задаётся ходом поршня напрямую. У напольной ALPHA-CPT2 усилие экструзии достигает 6 МПа. SunP называет три следствия: вязкие пасты идут без компрессора, маловязкие чернила не подтекают, а печать с контролем температуры меньше повреждает клетки. Каждая головка - самостоятельный модуль, который снимают и меняют целиком. Второй элемент - автоматическая калибровка: когда головок несколько, система находит смещение каждой и компенсирует его, поэтому слои разных материалов совпадают.

Настольные BioMaker

Три настольные модели различаются числом печатающих головок. У BioMaker 1 одна головка с двусторонним терморегулированием 10-70 °C и модуль фотоотверждения 365 и 405 нм; корпус помещается в шкаф биологической безопасности. У BioMaker 2i две модульные головки на выбор: с терморегулированием, фотоотверждения, термоплавкая для электроспиннинга из расплава до 270 °C и коаксиальное сопло; работает со стандартными шприцами BD на 5 мл. У BioMaker 4 четыре головки и адаптер печати на вращающейся оси диаметром 4, 6 и 8 мм для трубчатых структур.

Напольные системы ALPHA

Флагман SunP ALPHA-CPT2 - напольная система в корпусе 750 × 800 × 1 800 мм на колёсах. У неё четыре электроуправляемые микроэкструзионные головки с усилием до 6 МПа: с двусторонним терморегулированием, фотоотверждением, высокотемпературной и коаксиальной печатью и электростатической прямой записью волокон. Главное отличие от настольных моделей - регулирование температуры во всей камере. Оно даёт стабильные условия для высоких многослойных конструкций и позволяет печатать методом низкотемпературного осаждения, при котором материал замерзает сразу после выхода из сопла. Камера высокой чёткости показывает печать в реальном времени.

Ещё две напольные системы построены вокруг низкотемпературного осаждения. SunP ALPHA-BP31 печатает каркасы для тканевой инженерии двумя головками в камере, охлаждённой до -30 °C: слой сразу замерзает, и каркас получает крупные поры между нитями и мелкие внутри нити. SunP ALPHA-BP11 работает в том же холоде, но подаёт материал шнеком: так печатаются вязкие композиты, а частицы наполнителя, например костного порошка, не оседают. В каталоге есть и ALPHA-CPT1: тот же корпус, что у CPT2, четыре головки под заказ и камера от 0 °C до комнатной температуры.

Область печати SunP не публикует ни для одной модели: её уточняем у производителя вместе с коммерческим предложением.

Биочернила и печать на заказ

Собственная линейка материалов - редкость для производителя принтеров. SunP выпускает метакрилированный желатин GelMA трёх степеней замещения (Gel G1 DS30 - 25-35 %, Gel G1 - 55-65 %, Gel G1 DS - 80-90 %), фотоинициатор LAP, желатин с альгинатом Gel A1, гиалуроновую кислоту HAMA, жертвенный гель на основе плюроника F127, поддерживающую среду FLOAT II для печати внутри геля и поликапролактон PCL для каркасов. GelMA и LAP есть в нашем разделе биочернил для биопринтера.

Если у лаборатории ещё нет своего принтера, SunP напечатает каркасы и клеточные конструкции на заказ. Это удобный способ проверить идею до покупки оборудования, а потом перейти на свой прибор с теми же биочернилами.

Прежде всего путь от детали к клетке. Методы, которые Вэй Сунь изучал для машиностроения, - автоматизированное проектирование и послойное изготовление - оказались ключом к живым тканям. Каркас для клеток проектируется как деталь, только вместо прочности на изгиб считают, пройдут ли к клеткам питательные вещества. Инженерная дисциплина, придуманная для металла и пластика, теперь работает с материалом, который дышит и делится.

Второе - масштаб вклада. Изобрести прибор - сильный результат. Создать условия, при которых исследователи со всего мира публикуются в одном журнале, встречаются на одной конференции и говорят на одном языке, - результат другого порядка. Так узкая тема превращается в отрасль, и через пятнадцать лет у неё есть своё общество со сменяющимися президентами, премии и школа учеников.

Третье - учёный довёл идеи до серийного продукта. Многие лаборатории строят установки в единственном экземпляре, и повторить опыт на таком приборе может только сама эта лаборатория. SunP выпускает линейку приборов, расходные материалы к ним и даёт сервис. Технология выходит за пределы одной лаборатории и попадает в десятки других, в том числе теперь в Ростов-на-Дону.

И четвёртое - модель опухоли 2014 года. Клетки в напечатанной решётке сами, без подсказки, начали вести себя как в организме: собрались в сфероиды и стали устойчивее к химиотерапии. Принтер не создал опухоль: он задал объёмную среду, а поведение клеток в ней определила биология.

1. 1
   Научная база. Поищите статьи, где использовался принтер этой марки или установки группы, которая его разработала. Чем их больше, тем больше готовых протоколов вы получите вместе с прибором.
2. 2
   Материалы. Узнайте, выпускает ли производитель биочернила или хотя бы проверенные рецептуры под свои головки. Это экономит месяцы подбора режимов.
3. 3
   Открытость расходников. Принтер под стандартные шприцы (у SunP BioMaker 2i это BD на 5 мл, 3 мл - через адаптер) не привязывает вас к фирменным картриджам.
4. 4
   Способ подачи. Если планируете работать и с жидкими гидрогелями, и с вязкими пастами, электромеханическая подача даёт больше свободы, чем пневматика. Если в работе только мягкие гели, пневматики может хватить.
5. 5
   Температура. Для каркасов методом низкотемпературного осаждения нужна охлаждаемая камера, для полимерных каркасов - термоплавкая головка. Проверьте, что из этого есть в конкретной модели, и выбирайте под задачу, а не по числу головок.
6. 6
   Пробная печать. Попросите напечатать вашу конструкцию до покупки, через сервис производителя или поставщика. Это самая честная проверка того, подходит ли прибор вашей задаче.

Что такое биофабрикация?

Это изготовление биологических изделий из живых клеток, молекул, внеклеточного матрикса и биоматериалов. Внутри неё две стратегии: биопечать, когда материал с клетками укладывают слоями по цифровой модели, и биосборка из готовых клеточных блоков. Цели - модели тканей для исследований и проверки лекарств, каркасы для регенерации, в перспективе тканевые имплантаты.

Кто основал SunP Biotech?

Профессор Вэй Сунь - инженер-механик, главный редактор журнала Biofabrication и президент-основатель общества ISBF (2010-2014). Он много лет работал в Университете Дрекселя в США, где сейчас профессор-эмерит, и работает в Университете Цинхуа в Пекине.

Какие биопринтеры выпускает SunP?

Настольные BioMaker 1, 2i и 4 с одной, двумя и четырьмя печатающими головками и напольные системы ALPHA: ALPHA-CPT2 с четырьмя головками и усилием экструзии до 6 МПа, ALPHA-CPT1 с головками под заказ и установки низкотемпературного осаждения ALPHA-BP31 и ALPHA-BP11 с камерой до -30 °C. Кроме принтеров компания выпускает биочернила и печатает на заказ.

Чем электромеханическая подача отличается от пневматической?

При пневматике материал выдавливает сжатый воздух, и объём зависит от давления, температуры, вязкости и остатка в шприце. При электромеханической подаче поршень двигает привод, и объём задаётся его ходом напрямую. SunP указывает, что так вязкие материалы печатаются без компрессора, а жидкие не подтекают.

Где применяют биопринтеры SunP?

SunP называет тканевую инженерию (каркасы кости, хряща и мениска), модели органов и опухолей для проверки лекарств, исследования стволовых и нервных клеток, мозгоподобные модели для скрининга нейропрепаратов, а также материаловедение: электропроводящие и магнитные материалы, 4D-печать. В России BioMaker 2i работает в Южном федеральном университете, где на нём исследуют клетки растений.

Биофабрикация выросла на стыке биологии и машиностроения, и история Вэй Суня показывает это точнее любого определения. Инженер-механик перенёс в тканевую инженерию проектирование и послойное изготовление, дал области журнал и общество, а его группа показала, что напечатанная модель опухоли ведёт себя ближе к настоящей, чем плоская культура. SunP Biotech превратила этот опыт в линейку приборов: от настольного BioMaker до напольных систем с охлаждаемой камерой, вместе с биочернилами под свои головки.

Для лаборатории из этого следует практический вывод: выбирая биопринтер, смотрите не только на число головок, но и на научную школу за ним, на материалы и на возможность проверить свою задачу до покупки. Все модели SunP и других производителей собраны в разделе биопринтеров нашего каталога. Если хотите обсудить конфигурацию под свою задачу или пробную печать, напишите нам через контакты.