Стандартные струйные принтеры распыляют чернила с красителями на плоскую бумагу. Тысячи точек, или пикселов, сформировали бы слова в этой статье, если бы они были напечатаны на бумаге. 3-D печать использует специальное новое семейство струйных принтеров. Они строят объекты со слоями точек. В принципе, каждая капля "чернил" функционирует как кирпич в здании. “Мы складываем их пиксель за пикселем, слой за слоем, как будто строим особняк”, - говорит Ен Хуан. Этот инженер работает в Университете Флориды в Гейнсвилле. Чернила из пластика или металла могут создавать такие вещи, как игрушки, модели скелетов, руки роботов и многое другое. Чтобы напечатать живую ткань, чернила должны содержать живые клетки. Инженеры называют такие материалы биоинками. И эти чернила особенные, потому что они, по существу, должны поддерживать свои мягкие и хрупкие кирпичики — здесь живые клетки — для того, чтобы построить ткань.
Чтобы трехмерная печать тканей стала практичной, инженерам необходимо знать, как биоинкс будет вести себя в принтерах. Команда Хуана только что провела некоторые тесты, чтобы выяснить. Команда работала с так называемым струйным принтером” drop-on-demand". Компьютерные инструкции предписывают принтеру выдавливать чернила по одной капле за раз. Команда испытала биоинкс с мышиными клетками, которые могут расти в соединительную ткань. Этот тип встречается в таких тканях, как кожа, кости и кровеносные сосуды. Он образует внешний слой для многих структур в организме.
Исследователи смешивали различные концентрации клеток в жидкости, сделанной из водорослей. Называемая гидрогелем, жидкость содержит белки и легко впитывает воду, объясняет Ибрагим Озболат. Обе функции помогают сохранить клетки живыми во время печати и позволяют им расти. Озболат, биоинженер из Университета Айовы в Айова-Сити, не работал над новым исследованием. Вспомните чернила для печати текста, которые являются просто двумерными, или 2-D. ваш школьный отчет может размазаться или пропустить пробелы, если смесь чернил принтера была не совсем правильной. Инженеры не хотят подобных ошибок при печати тканей. Клетки могут оказаться не в том месте, если биоинки не будут откладывать однородные капли без спутников, которые похожи на брызги. Слишком много неуместных клеток потенциально может помешать тому, насколько хорошо работает ткань или орган.
“Мы хотим точно контролировать размер каждой капли", - говорит Хуан. И каждая капля должна оказаться точно в нужном месте.
Таким образом, исследователи записали на видео процесс образования капель биоинков, содержащих разное количество клеток. Они сравнили полученные результаты с другими гидрогелевыми красками. Некоторые чернила имели крошечные пластиковые бусинки вместо живых клеток. У одного из них не было ни клеток, ни бусин. Чем больше клеток на миллилитр гидрогеля, тем более согласованным был размер отпечатанных точек. Это происходит потому, что каждый импульс из сопла принтера с большей вероятностью образует единственную каплю, не выплескивая спутников, объясняет Хуан. Однако заполнение слишком большого количества ячеек в чернила может привести к тому, что кусочки материала останутся на сопле принтера, обнаружила его команда. Тогда содержащие клетки капли могут отпасть от центра сопла. И это может привести к тому, что капли приземлятся немного в стороне от нужного места. Дополнительные исследования и тесты помогут определить наилучшие концентрации клеток для биоинков. Хуан и другие исследователи также изучат, влияют ли различные покрытия на сопло принтера на результаты. Команда Хуана поделилась своими новыми открытиями в июльском номере журнала Langmuir.
"Это исследование очень важно для понимания физики этого процесса", - говорит Озболат. Его исследования сосредоточены на проектировании тканей и органов для трехмерной печати. Дополнительные знания о том, как работают биоинки, “очень важны для улучшения качества того, что мы делаем”, говорит он. В противном случае размер и скорость образования капель — это “своего рода случайный процесс.” Получение лучших качеств чернильных капель может показаться небольшим шагом. Но исследования Хуана, наряду с исследованиями Озболата и других ученых, могли означать разницу между жизнью и смертью.” Мы хотим напечатать ткани и органы, чтобы заменить их на больные", - отмечает Хуан. “Если у нас нет доноров, мы можем попытаться сделать необходимые органы для пациентов.” А с трехмерной тканевой печатью это будет происходить куда быстрее и проще.