Трансплантация органов человека является жизненно важным для людей с серьезными заболеваниями, но органов слишком мало: только в США в настоящее время более 112 000 человек ожидают пересадки. Обещание 3D-печати органов является одним из возможных решений для решения этой проблемы, но оно сопряжено со сложностью и техническими барьерами, ограничивающими типы органов, которые можно напечатать. Исследователи из Технологического института Стивенса в настоящее время преодолевают эти барьеры, используя технику для воспроизведения любого типа ткани.

 

 

Работа, возглавляемая Робертом Чангом, доцентом кафедры машиностроения в Школе инженерии и науки Стивенса Шефера, может открыть пути для 3D-печати любого органа в любое время, даже кожи, непосредственно на открытой ране.

«Создание новых органов по заказу и спасение жизней без необходимости в доноре-человеке принесет огромную пользу здравоохранению», — сказал Роберт Чанг, чья работа опубликована в апрельском номере журнала Scientific Reports. «Однако достичь этой цели сложно, потому что печать органов с использованием «биочернил» — гидрогелей, насыщенных культивируемыми клетками — требует определенного контроля над геометрией и размером напечатанного микроволокна, чего современные 3D-принтеры просто не могут достичь».

Чанг и его команда, включая Ахмадреза Заи, первого автора и докторанта в лаборатории Чанга, надеются изменить это, ускорив новый процесс 3D-печати, использующий микрофлюидику — точное манипулирование жидкостями через крошечные каналы — для работы на гораздо меньших скоростях и масштабе, чем это было возможно. «Недавняя публикация направлена ​​на улучшение управляемости и предсказуемости структуры изготовленных микротканей и микроволокон с помощью технологии микрофлюидной биопечати», — сказал Заери.

Большинство современных 3D-биопринтеров основаны на экструзии, выбрасывая биочернила из сопла для создания структур размером около 200 микрон — примерно в десятую часть ширины нити спагетти. Принтер на основе микрофлюидики может печатать биологические объекты размером порядка десятков микрометров наравне с клеточным масштабом.

«Масштаб очень важен, потому что он влияет на биологию органа», — сказал Чанг. «Мы работаем в масштабе человеческих клеток, и это позволяет нам печатать структуры, имитирующие биологические особенности, которые мы пытаемся воспроизвести».

Помимо работы в меньшем масштабе, микрофлюидика также позволяет взаимозаменяемо использовать несколько биочернил, каждая из которых содержит разные клетки и предшественники тканей, в одной печатной структуре, почти так же, как обычный принтер объединяет цветные чернила в одно яркое изображение.

 

Это важно, потому что, хотя исследователи уже создали простые органы, такие как мочевой пузырь, стимулируя рост ткани на каркасах, напечатанных на 3D-принтере, более сложные органы, такие как печень и почки, требуют точного комбинирования множества различных типов клеток. «Возможность работать в таком масштабе при точном смешивании биочернил позволяет нам воспроизводить любой тип ткани», — сказал Чанг.

Уменьшение масштаба 3D-биопечати требует кропотливых исследований, чтобы точно выяснить, как различные параметры процесса, такие как структура канала, скорость потока и гидродинамика, влияют на геометрию и свойства материала печатных биологических структур. Чтобы упростить этот процесс, команда Чанга создала вычислительную модель микрожидкостной печатающей головки, что позволило им настраивать параметры и прогнозировать результаты без необходимости трудоемких экспериментов в реальных условиях.

«Наша вычислительная модель продвигает формульную экстракцию, которую можно использовать для прогнозирования различных геометрических параметров изготовленных структур, выдавливаемых из микрожидкостных каналов», — сказал Заэри.

Вычислительные модели команды точно предсказали результаты реальных микрожидкостных экспериментов, и Чанг использует свою модель для проведения экспериментов по способам печати биологических структур с различной геометрией. Результаты этой исследовательской работы могут быть использованы для печати комбинированных многоклеточных биочернил, которые могут воспроизвести ткань с градиентами геометрических и композиционных свойств, обнаруженных на пересечении костей и мышц.

Чанг также изучает возможность использования микрофлюидной 3D-печати для создания кожи и других тканей на месте, что позволит пациентам печатать замещающие ткани непосредственно в ране. «Эта технология всё ещё настолько нова, что мы не знаем точно, что она позволит», — сказал он. «Но мы знаем, что это откроет двери для создания новых структур и важных новых типов в биологии».

 

Источник: https://medicalxpress.com/news/2022-04-3d-kidney-small.html