Хоботок комара превратили в дешевое высокоточное сопло для 3D-биопринтера

Канадские и американские инженеры совместно разработали технологию 3D-биопечати, в которой вместо металлического или стеклянного сопла используется хоботок самки комара. Принтер с биогибридным соплом может наносить чернила с разрешением 20 микрометров, чем превосходит возможности большинства коммерчески доступных микродозаторов. Хоботок комара оказался достаточно прочным, чтобы выдерживать необходимое для экструзии давление, и при этом стоит дешевле искусственных аналогов. Авторы работы продемонстрировали эффективность сопла, напечатав несколько микроструктур с живыми клетками, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

Современные технологии трехмерной печати для создания микроскопических структур, такие как прямая печать чернилами (Direct Ink Writing, DIW), требуют высокой точности дозирования материала, поэтому используемые в них сопла обладают крайне малым внутренним диаметром — менее 100 микрометров. Обычно их изготавливают из металла, пластика или стекла, но из-за сложности производства стоимость одного экземпляра может превышать 80 долларов США. Природа при этом предлагает множество примеров уже готовых и эффективных микроинструментов для транспортировки жидкостей. Например, питающиеся кровью или нектаром насекомые в процессе эволюции развили сложные ротовые аппараты, способные прокачивать жидкости через узкие каналы с минимальным сопротивлением.

На это обратили внимание инженеры под руководством Чанхона Цао (Changhong Cao) из Университета Макгилла. Вместе с коллегами из США они провели подробный анализ различных биологических структур — когтей, жал, клыков и хоботков различных животных, которые могли бы послужить в качестве дозирующих насадок для 3D-печати методом DIW . В результате оптимальным кандидатом оказался кровососущий хоботок самки комара, обладающий подходящим сочетанием характеристик: он прямой, жесткий, прочный и имеет внутренний диаметр около 20-25 микрометров.

Для создания сопла исследователи отделяли хоботок от головы комара, удаляли внешнюю оболочку (лабиум) и приклеивали к стандартной металлической игле шприца с помощью отверждаемого ультафиолетом полимера. Получившаяся насадка затем устанавливалась в специально созданный высокоточный 3D-биопринтер с поршневым экструдером.

Чтобы проверить надежность системы, авторы провели серию тестов на разрыв. Оказалось, что хоботок способен выдерживать внутреннее давление примерно до 708 килопаскалей, прежде чем разрушиться. При этом обычно для печати биочернилами требуется давление около 60 килопаскалей. Разрушение чаще всего происходило либо из-за засорения хоботка, либо из-за слишком высокой вязкости используемых чернил, создающей избыточное давление на входе в канал.

С помощью созданной технологии, названной «3D-некропечатью» (3D Necroprinting), исследователи успешно напечатали гидрогелем несколько демонстрационных микрообъектов: структуру в виде пчелиных сот размером примерно 600 на 600 на 300 микрометров и с толщиной стенок около 22 микрометров, а также микроструктуру в виде кленового листа с толщиной линий около 18 микрометров. Третий объект — решетчатый каркас, который инженеры напечатали чернилами, содержащими в одном случае живые раковые клетки, а в другом — эритроциты. Авторы также показали, что биосопло можно использовать для высокоточной доставки препаратов в ткани. Модельным объектом в опыте выступила свиная кожа, а роль «лекарства» досталась гидрогелю.

Достигнутое в тестах разрешение печати оказалось примерно на 250 процентов выше, чем при использовании стандартного сопла с диаметром около 50 микрометров. Тесты на жизнеспособность клеток после печати показали, что процесс экструзии через комариный хоботок не наносит им существенного вреда: выживаемость составила более 86 процентов, что подтверждает пригодность комариных биосопел для печати биоматериалами. Авторы работы отметили и экономическую эффективность: выращивание комаров в лаборатории стоит около 2 центов за штуку, а одна насадка обходится примерно в 80 центов, что как минимум на порядок дешевле искусственных аналогов. Кроме того, использование биоразлагаемого материала снижает количество отходов, хотя и накладывает определенные ограничения на сроки хранения и использования инструментов из него.

В 2022 году американские инженеры предложили называть биогибридные технологии, предполагающие использование частей мертвых животных в механизмах и роботах, «некроботикой». Они изготовили из мертвого паука пневматический захват, способный поднимать предметы, масса которых превышала его собственную в 1,3 раза.