Объективный информационный канал
для профессионалов отрасли

«Фармацевтическая отрасль», 2019, №5 (76) октябрь

Гелевая трехмерная биопечать. Оборудование и примеры реализации

Денис Маймистов, Константин Гусев - Лаборатория аддитивных технологий Санкт­Петербургского химико­-фармацевтического университета (СПХФУ) Минздрава РФ
Лаврентий Данилов - Кафедра генетики и биотехнологий СПХФУ Минздрава РФ

Введение

В современном мире лекарственные препараты на растительной основе вновь становятся очень популярными. Раньше в качестве источника сырья для их производства выступали целые растения. Однако это экономически невыгодное решение, так как получение активных веществ из целых растений является трудоемким и малопродуктивным процессом. Оптимальным методом получения веществ стала разработка систем для культивирования клеток растений. Эта технология стала популярной и эффективной, и примерно с 80-х годов прошлого века применяют одну из лучших ее модификаций – культивирование иммобилизованных клеток. Поскольку иммобилизация является довольно трудоемким процессом, сейчас проводятся исследования по использованию 3D-принтеров для биопечати в качестве одного из вариантов иммобилизации растительных клеток (1).

В настоящее время методы биопечати широко распространены в отношении клеток животных и почти не применяются к клеткам растений. Возможности биопечати позволяют создать сложную трехмерную структуру из клеток и каналов, что, в свою очередь, может обеспечить более эффективную доставку кислорода и питательных веществ к каждой клетке. Это преимущество активно используют при культивировании клеток животных. Создание сложного каркаса с последующим нанесением таких клеток в определенные места позволяет получить копию их расположения в организме. Это особенно важно при проведении различных экспериментов, особенно по проверке эффективности доставки препарата к раковым опухолям внутри ткани, и изучении свойств кожи (2, 3). В растительных клетках создание определенной структуры позволяет увеличить выход различных вторичных клеточных метаболитов, таких как фенолы, алкалоиды, фитостероиды и др., а также обеспечить отток токсичных продуктов жизнедеятельности. Именно поэтому изучение процесса биопечати для иммобилизованных растительных клеток представляет большой интерес. На сегодня достаточно много растений введено в культуру in vitro. В основном ученые фокусировали свое внимание на изучении растений, которые полезны для человека, а именно на сельско-хозяйственных культурах и некоторых лекарственных растениях. Для получения иммобилизованной культуры клеток чаще всего применяют метод микроклонального размножения растений, который хорошо подходит для достижения результатов в научной области. Однако в промышленности используют другие методы получения и культивирования клеток, а именно на плотной среде, методы поверхностного культивирования, а также культивирование в форме суспензий, метод глубинного культивирования. С помощью всех вышеперечисленных методов в сочетании с 3D-биопечатью и генной инженерией можно получить клетки растений с повышенным уровнем продукции необходимых веществ для использования в фармацевтической отрасли (4).

Оборудование и материалы

Асептический разбрызгивающий клапан 784S-SS

Асептический клапан микрораспыления 784S-SS, оснащенный в соответствии с требованиями FDA смачиваемыми деталями, обеспечивает плавный и равномерный поток жидкости, что делает его идеальным для тех областей применения, где требуется стерильность.

Используя технологию малого объема при низком давлении (LVLP), клапан 784S-SS создает однородные факелы распыления диаметром от 3,3 до 19,1 мм. Он позволяет точно контролировать нанесение большинства жидкостей средней и высокой вязкости. Для создания более крупного факела на клапан 784S-SS-F может быть установлена насадка с подачей воздуха от вентилятора.

Инновационность конструкции клапана заключается в использовании одноразового наконечника (иглы) и специальной центрирующей насадки, направляющей поток воздуха, которые позволяют работать с малыми объемами жидкости при низких показателях рабочего давления и тем самым формировать небольшие факелы распыла (5).

Асептический клапан 754V

Особенностью асептического дозирующего мембранного клапана 754V производства компании Nordson EFD является сплошная подача жидкости без участков завихрений. Такие условия способствуют ускорению цикла дозирования и увеличению скорости работы оборудования. Кроме того, рабочая камера клапана с электрохимической полировкой повышает долговечность и устойчивость к воздействию коррозии.

Объем дозирования находится в диапазоне от 0,5 мкл / с до непрерывного расхода 14 мл / с. Клапан полностью закрывается начисто в конце каждого цикла с быстрой отсечкой, что препятствует проникновению паразитных капель. Клапан не содержит внутренней резьбы, что упрощает процесс его очистки (6).

Использованные клапаны являются хорошим решением для работы в асептических условиях. Все смачиваемые детали изготовлены из нержавеющей стали марки 316L или фторопласта, позволяя проводить CIP (очистка на месте) и SIP (стерилизация на месте), что является актуальным для использования на производствах, организованных в соответствии с требованиями Надлежащей производственной практики (GMP). Наиболее важными характеристиками данных клапанов, которые выделяют их среди других, являются простота стерилизации, а также соответствие всех смачиваемых деталей требованиям FDA. Более того, конструкция позволяет производить минимальное техническое обслуживание при достаточно широком спектре совместимых жидкостей. К таковым можно отнести различные растворы солей и полимеров, большинство органических растворителей, а также силиконовые масла и различные покрытия стентов.

Универсальная платформа с числовым программным управлением

Клапаны и дозирующую шприцевую систему размещали и приводили в движение с помощью платформы с числовым программным управлением (ЧПУ), которая была собрана в лаборатории для экспериментальной работы. Максимальный рабочий объем установки составил 650 х 410 х 200 мм. При установке различных манипуляторов объем уменьшают (в нашем случае рабочая площадь для печати составила 200 х 200 х 100 мм).

Установка представляет собой универсальный трехосевой станок с ЧПУ, на котором размещают различные инструменты. Возможна установка дополнительных четвертой и пятой осей. В использованной конфигурации четвертой осью была дозирующия шприцевая головка, которая отвечает за послойное нанесение вещества. Дозирующая шприцевая головка является сменным узлом, управляется как четвертая ось установки. Он состоит из поршня, который перемещается с помощью пары винт – гайка. Этот поршень толкает шток шприца, установленного в основании узла. В процессе вращения шагового мотора поршень шприца смещается, в результате чего из внутреннего объема выдавливается точное количество геля или жидкости. Во время работы установки перемещение поршня и горизонтальных осей синхронизируется таким образом, чтобы нанести тонкий слой согласно траектории, заданной программой.