Физическая проблема: седиментация
В основе биопечати лежит послойное нанесение биочернил — суспензии живых клеток в полимеризующемся полимере. Плотность клеток отличается от плотности носителя. На Земле это приводит к седиментации: клетки оседают на дно формируемого слоя задолго до его отверждения. Возникает градиент концентрации — в нижних слоях клетки избыточны, в верхних отсутствуют. Специалисты Auxilium сравнивают эффект с черникой в жидком тесте для кексов: ягоды опускаются на дно формы ещё до выпечки.
Для функциональной ткани такая неравномерность недопустима. Клетки почки, гепатоциты и клетки соединительной ткани должны занимать строго определённые позиции в трёхмерной архитектуре — иначе орган не выполняет своих функций. Именно это ограничение, по словам директора WFIRM Энтони Аталы, определило выбор орбиты как производственной площадки.
На МКС конвективные потоки в жидкости подавляются, архимедовы силы нивелируются. Частицы остаются во взвешенном состоянии на протяжении всего времени полимеризации, и распределение клеток по объёму конструкции выравнивается.
Устройство AMP-1
Биопринтер доставлен на станцию в 2024 году и с тех пор проходил испытания на совместимость с условиями микрогравитации. Инженеры Auxilium скорректировали параметры экструзии и протоколы отверждения под отсутствие гравитационного дренажа.
В рамках орбитальной миссии WFIRM предоставил клеточный материал — человеческие клетки почки и печени — и цифровые модели тканевых конструкций. Auxilium отвечал за производственную платформу. Управление процессом велось дистанционно, с Земли.
Помимо трёх типов тканей, AMP-1 изготовил 28 имплантатов для восстановления нервной ткани — отдельные версии таких изделий уже проходят наземные клинические испытания. Образцы возвращены в капсуле SpaceX Dragon.
Границы метода
Полноценные органы для трансплантации на орбите не получены — речь идёт о конструкциях миллиметрового масштаба и нейропротезах ограниченного размера. Физика процесса на этом уровне отработана; вопрос переходит в плоскость масштабирования.
Главное узкое место — экономика замкнутого цикла. Каждый сеанс биопечати требует доставки клеточного материала на орбиту, обслуживания установки экипажем и возврата готовых изделий в спускаемой капсуле. При текущей стоимости килограмма полезной нагрузки на низкой околоземной орбите космическая биопечать остаётся инструментом исследования, а не промышленного производства. Следующий шаг — серийные орбитальные платформы с пониженным участием экипажа и замкнутым контуром биоматериалов.