Нанопечать интеллекта: новый литограф поможет создать искусственные органы

Российские ученые разработали уникальный литограф — прибор для печати микроструктур. Это могут быть мельчайшие механические устройства, линзы или фильтры, пропускающие одни и задерживающие другие типы клеток. Одно из важнейших применений разработки — каркасы для создания искусственных органов и тканей. По словам специалистов по биоинженерии, качество скаффолдов и матриксов, на которых их выращивают, очень сильно влияет на свойства конечного продукта. Кроме того, литограф способен вывести на новый уровень российскую фотонику, считают специалисты.

Печать с точностью до нанометров

Ученые МФТИ разработали уникальный отечественный литограф для создания трехмерных микроструктур размером элементов до 150 и разрешением 350 нанометров. Этих масштабов вполне достаточно, например, чтобы подковать блоху. С помощью разработки можно печатать мельчайшие механические устройства или каркасы для выращивания искусственных биологических органов с нужной геометрией.

— Для выращивания биоинженерных объектов, например искусственных органов, сначала производится каркасная система, на которую уже наносятся клетки, способные сформировать ткань. Для производства каркаса используется специальный биосовместимый полимер. За счет этой конструкции мы можем определенным образом выстраивать клетки, чтобы они могли лучше взаимодействовать с белками или другими клетками. Это важно для выращивания различных биологических конструкций, — сказал главный конструктор проекта — руководитель Конструкторского бюро оптической литографии Данила Колымагин.

Также с помощью литографа можно создавать миниатюрные фильтры, способные отделять одни клетки от других. Таким образом, можно выделять различные компоненты в биологических субстанциях либо разделять здоровые и больные клетки. В ходе одного из экспериментов ученые изучили, как мембраны различной формы могут пропускать и задерживать эмбриональные клетки почек человека (HEK 293).

Изобретение станет первым отечественным прибором такого рода, который будут выпускать серийно. Он сможет заменить иностранные, в основном немецкие, аналоги, которыми сейчас вынуждены пользоваться российские специалисты.

— Также наш прибор позволит сделать прорыв в фотонике. Сейчас одна из ее проблем в том, что для производства излучателей, приемников и частей фотонных интегральных схем, связанных с обработкой информации, используют различные технологии и материалы. Мы можем связать всё это воедино на одном чипе с помощью полимерного оптоволокна, которое можно сформировать посредством нового литографа. Сейчас на российском рынке приборов нет отечественных конкурентов в этой области, и проект способствует импортозамещению, так как на рынке доминируют в основном немецкие модели, — сказал Данила Колымагин.

Одно из основных преимуществ нового литографа — возможность работы в режиме 3D-принтера, что расширяет его возможности. Для литографии используются ультракороткие лазерные импульсы видимого диапазона, что существенно уменьшает стоимость оборудования и его обслуживания. В качестве материала для 3D-микроструктур используются оптически прозрачные биосовместимые фотополимеры, которые были специально созданы совместно с Нижегородским институтом металлоорганической химии имени Г.А. Разуваева РАН.

В качестве еще одного возможного применения в сфере физических исследований разработчики называют создание фазовых масок. Они состоят из прозрачных материалов, проходя через которые свет меняет свои амплитудно-фазовые характеристики. Такие маски могут быть использованы для кодирования информации с помощью света, формирования голограмм и металинз.

Сейчас проект находится на заключительном этапе опытно-конструкторских работ. В апреле 2025 года пройдут государственные приемочные межведомственные испытания, по результатам которых будет принято решение о приемке прибора. Ожидается, что разработка завершится в августе 2025 года, после чего литограф уйдет в широкое производство. Его основными заказчиками станут научные центры и компании, занимающиеся фотоникой и биофотоникой.

Искусственные органы и нейроинтерфейсы

Качество биополимерных каркасов играет очень важную роль в создании искусственных органов, пояснил «Известиям» доцент Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ Иван Пьянов.

— Производство качественных каркасов необходимо, чтобы создать конкурентоспособную базу для развития биомедицинской инженерии и искусственных органов. Поэтому новый литограф будет востребован с этой целью в кооперации со специалистами в области 3D-биопечати, которые используют различные скаффолды и матриксы, чтобы затем их заполнить стволовыми клетками. Такие конструкции сейчас испытывают в клинических исследованиях и на лабораторных животных. При производстве каркаса очень важны точность и пористость структуры, а также тип биополимера, из которого он сделан, — сказал эксперт.

По мнению других специалистов, новый литограф также можно использовать для создания нейроинтерфейсов.

— Литография позволяет создавать высокоточные микро- и наноструктуры, что критично для воспроизведения сложной архитектуры объекта. Это имеет большой потенциал для разных направлений. Например, с помощью данной технологии можно разрабатывать нейроинтерфейсы, а также органы на чипе, — отметил заместитель директора Института биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Станислав Петров.

Данное направление исследований достаточно важное для науки и индустрии, считает ведущий научный сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций Университета ИТМО Федор Киселев. Особенно интересным выглядит предложение использовать данную технологию для соединения интегральных оптических чипов. Это может качественно улучшить процесс гибридной сборки фотонных интегральных схем. Однако остается вопрос по скорости работы этого устройства, что в итоге будет влиять на себестоимость разработок, проведенных с его помощью, резюмировал специалист.