Для изучения физиологии зрительного анализатора и происходящих в нём биофизических процессов, тестирования новых подходов в лечении его заболеваний, активно внедряются передовые методики, среди которых важное место занимают тканевые эквиваленты различных структур глаза, а так же микрофизиологические системы орган-на-чипе. Пример применения тканеинженерных эквивалентов в офтальмологии – тканеинженерные роговичные эквиваленты, в том числе, иннервированные, позволяющие изучать взаимодействие роговичных нервов и стромы, оценивать механические и оптические свойства тканеинженерных роговиц и перспективы их применения для кератопластики [1]. Технология орган-на-чипе позволяет с высокой точностью моделировать роговицу и переднюю поверхность глаза вместе с его вспомогательным аппаратом, что актуально при изучении патогенеза синдрома сухого глаза (в частности – биофизических процессов, зависящих от испарения слезной жидкости и ее осмолярности) и поиска эффективных методов его терапии. Также возможно моделирование сетчатки и её гематоретинальных барьеров, что позволяет воспроизводить возрастную макулярную дегенерацию, диабетический макулярный отек, диабетическую ретинопатию и глаукому для скрининга нейропротекторных и антиглаукомных препаратов [2]. В обоих случаях возможно применение био- и 3D-биопечати [3, 4].

Целью данной работы явилась разработка специализированной платформы для биопечати тканеинженерных эквивалентов структур глаза и компонентов систем орган-на-чипе для применения в экспериментальной офтальмологии.

Разработанный прототип имеет подвижный стол (перемещение по оси Y) и держатель экструдера (перемещается по осям X и Z). Держатель экструдера позволяет устанавливать экструдеры и печатающие головки различных типов. Размер поля печати (30*35*20 мм) оптимизирован для большинства структур глаза и систем орган на чипе, что, в отличие от многих open source установок, использующих платформы от обычных 3D-принтеров, позволяет оптимизировать общие размеры самого устройства, делая удобным его размещение в ламинарном шкафу, а так же уменьшает вибрации конструкции, увеличивая точность и качество печати. Система поддерживает две концепции: 3D-печать, подразумевающую создание объёмных 3-х мерных объектов и биопечать на плоскости, например, печать клетками на поверхности адгезивного материала в один слой. В текущей версии платформы будет использоваться разработанная для нее печатающая головка с экструдером поршневого типа, позволяющая выполнять 2D- и 3D-печать различными гелями, содержащими и не содержащими клетки, а так же дозированно и с высокой точностью наносить среду с суспензией клеток различных типов на адгезивные поверхности и распределять их по камерам микрофлюидной системы орган-на-чипе.



1. Wang S., Ghezzi C.E., Gomes R. et al. In vitro 3D corneal tissue model with epithelium, stroma, and innervation // Biomaterials. 2017. Vol. 112. P. 1-9.

2. Haderspeck J.C., Chuchuy J., Kustermann S. et al. Organ-on-a-chip technologies that can transform ophthalmic drug discovery and disease modeling // Expert opinion on drug discovery. 2019. Vol. 14. No. 1. P. 47-57.

3. Zhang B., Xue Q., Li J. et al. 3D bioprinting for artificial cornea: Challenges and perspectives // Medical engineering & physics. 2019. Vol. 71. P. 68-78.

4. Lee H., Cho D.W. One-step fabrication of an organ-on-a-chip with spatial heterogeneity using a 3D bioprinting technology // Lab on a Chip. 2016. Vol. 16. No. 14. P. 2618-2625.

The studying of the physiology and biophysics of visual analyzer and testing new approaches in the treatment of its diseases needs advanced methods. The tissue equivalents of various structures of the eye, as well as microphysiological systems of an organ-on-a-chip are important methods for it. An example of the using of tissue-engineered equivalents in ophthalmology is tissue-engineered corneal equivalents, including innervated ones, which allow studying the interaction of corneal nerves and stroma, assessing the mechanical and optical properties of tissue-engineered corneas and the prospects for their using for keratoplasty [1]. The organ-on-a-chip technology makes it possible to model the cornea and the eye surface together with its auxiliary apparatus with high accuracy, which is important for studyingof the pathogenesis of dry eye disease (biophysical processes that depend on the evaporation of tear and its osmolarity) and the search for effective methods its therapy. It is also possible to model the retina and its hematoretinal barriers, which allows reproducing age-related macular degeneration, diabetic macular edema, diabetic retinopathy, and glaucoma for screening neuroprotective and antiglaucoma drugs [2]. In both cases, it is possible to use bio- and 3D-bioprinting [3, 4].

The aim of this work was to develop a specialized platform for bioprinting of tissue-engineered equivalents of eye structures and components of organ-on-a-chip systems for application in experimental ophthalmology.

The designed device has a moving table (moves along the Y axis) and an extruder holder (moves along the X and Z axes). The extruder holder allows installing various types of extruders and printheads. The printing field size (30*35*20 mm) is optimized for most eyeball structures and organ-on-chip systems, which, unlike many open source systems, which using ordinary 3D printing platforms. It allows optimizing the overall device’s size, for placement it in a laminar flow cabinet, and reduces vibrations, increasing the accuracy and quality of printing. The system supports two concepts: 3D printing, which involves the creation of 3D volumetric objects, and bioprinting on a plane, for example, printing cells on the surface of an adhesive material in one layer. The current version of the platform will use a print head developed for it with a syringe-type extruder, which allows 2D and 3D printing with various gels containing cells or without them, as well as dosing and accurately applying a medium with a suspension of various types of cells on adhesive surfaces and distribute them among the chambers of the organ-on-chip microfluidic system.



1. Wang S., Ghezzi C.E., Gomes R. et al. In vitro 3D corneal tissue model with epithelium, stroma, and innervation // Biomaterials. 2017. Vol. 112. P. 1-9.

2. Haderspeck J.C., Chuchuy J., Kustermann S. et al. Organ-on-a-chip technologies that can transform ophthalmic drug discovery and disease modeling // Expert opinion on drug discovery. 2019. Vol. 14. No. 1. P. 47-57.

3. Zhang B., Xue Q., Li J. et al. 3D bioprinting for artificial cornea: Challenges and perspectives // Medical engineering & physics. 2019. Vol. 71. P. 68-78.

4. Lee H., Cho D.W. One-step fabrication of an organ-on-a-chip with spatial heterogeneity using a 3D bioprinting technology // Lab on a Chip. 2016. Vol. 16. No. 14. P. 2618-2625.