Исследователи из Орегонского Университета Здоровья и Науки (OHSU - https://www.ohsu.edu/) печатают в 3D миниатюрные «костяные кирпичики» в стиле LEGO, которые потенциально способны исцелить сломанную скелетную ткань.Крошечные пустотелые блоки, размером всего с небольшую блоху, служат лесами, на которые могут вырастать как твердые, так и мягкие ткани. Более того, наращиваемая природа модулей позволяет собирать их в блоки, как игрушечные кубики, предлагая масштабируемость наряду с тысячами потенциальных геометрических конфигураций. В конечном счете, команда из Орегона стремится масштабировать технологию и использовать микрокклетки для производства лабораторных органов для трансплантации человеку.
«Наши запатентованные леса просты в использовании; они могут быть сложены вместе, как LEGO, и размещены в тысячах различных конфигураций, чтобы соответствовать сложности и размеру в практически любой ситуации», - сказал Луис Бертассони (Luiz Bertassoni), доктор философии, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Медицинской школе OHSU.
В последние годы биоструктуры с печатными каркасами становятся все более актуальной темой исследований, особенно для применения в тканевой инженерии или регенеративной медицине. Более того, достижения в области 3D-печати позволили разрабатывать имплантируемые конструкции для конкретного пациента более масштабируемым образом, а в некоторых случаях их теперь можно даже производить на месте в больницах. В результате для сборки этих сложных тканей больше не требуется специализированное оборудование, что, в свою очередь, сокращает время выполнения заказа, связанное с производством имплантатов.
Тем не менее, разработка идеальной системы строительных лесов все еще является труднодостижимой, и это остается одной из причин того, что технология не получила более широкого распространения в условиях больниц. Идеальная тканевая опора должна быть совместима со специфическими для дефектов архитектурами, но в то же время допускать контролируемую загрузку клеток, факторов роста и гидрогелей. Кроме того, согласно команде из Орегона, временный контроль ткани важен для врастания ткани в привитый материал.
Традиционно хирурги-ортопеды восстанавливают сложные переломы костей, имплантируя металлические стержни или пластины пациенту, чтобы стабилизировать кость. Позже в этой процедуре биосовместимые строительные леса, упакованные порошками или пастами, стали использоваться для ускорения заживления. Команда из Орегона, с другой стороны, разработала новую систему строительных лесов, которая точно помещает пустотелые блоки, заполненные небольшим количеством геля, ближе к месту, где они необходимы.
«Технология 3D-печати в микроклетке улучшает заживление, стимулируя рост нужного типа клеток в нужном месте и в нужное время», - объяснил соавтор исследования Рамеш Суббья (Ramesh Subbiah), доктор философии в лаборатории OHSU. «Различные факторы роста могут быть размещены внутри каждого блока, что позволяет нам более точно и быстро восстанавливать ткани».
Микроклетки имеют внутреннюю полость, что позволяет им контролируемым образом загружать груз различных биогелевых композиций и создавать леса с пространственно заданными инструктивными подсказками. В качестве подтверждения концепции команда 3D напечатала несколько блоков, загруженных гранулированными гидрогелями, содержащими различные факторы роста. Результаты показали, что клетки проникли в каркасы быстрым и контролируемым образом, что ускорило процесс образования и заживления новой ткани.
Используя бета-трикальцийфосфатную керамику и технологию 3D-печати на основе литографии на основе керамики (LCM), команда создала несколько модульных миниатюрных микроклеток. В результате были получены блоки размером 3,375 мм3 с полыми размерами 1,5 × 1,5 × 1,5 мм и толщиной стенки 230–560 мкм. В целом, используя образцы кирпичей, исследователи легко могли создавать различные формы, сохраняя при этом постоянный контур по всему периметру.
Работая с четырьмя слоями блоков 4 × 4, команда из Орегона подсчитала, что в общей сложности возможно 29 413 конфигураций, подчеркивая потенциал технологии для каркасных структур, изготовленных по индивидуальным параметрам пациента. Чтобы проиллюстрировать адаптируемость их метода для использования с другими жесткими полимерными материалами, был создан ряд других кирпичей с использованием смолы на основе метакрилата, которая часто используется в аналогичных регенеративных процедурах.
Чтобы продемонстрировать потенциал строительных лесов для регенеративных применений, команда использовала 3D-печать Digital Light Processing (DLP) для создания серии фасонных изделий, включая пятиконечную геометрию. Различные комбинации человеческих рекомбинантных факторов роста затем вручную загружали в модули в различных формах. После укладки прочность двухслойных блоков была значительно снижена до 13,8 МПа, но это было все же намного выше, чем сообщалось для средней кости челюсти 3,9 МПа.
Более того, дальнейшие эксперименты показали, что блоки, заполненные фактором роста, расположенные рядом с восстановленными костями крысы, приводили к росту кровеносных сосудов примерно в три раза по сравнению с обычным материалом для строительных лесов. В результате исследователи пришли к выводу, что, хотя их метод был оптимизирован для восстановления твердых тканей, эта концепция может быть применима к другим применениям регенерации тканей. Команда из Орегона считает, что благодаря значительно большему количеству исследований модульный подход можно использовать для восстановления более сложных переломов костей у более крупных животных или даже для изготовления органов для трансплантации человека.
Концепция 3D-биопечати костных имплантатов уже изучается рядом исследователей из академических учреждений по всему миру. Например, исследователи из Университета Манчестера (https://www.manchester.ac.uk/) разработали костяной кирпич, аналогичный кирпичу команды Орегона. Устройство было создано в ответ на необходимость срочной медицинской помощи в лагерях сирийских беженцев.Исследователи из Технологического университета Делфта (https://www.tudelft.nl/en/) разработали и напечатали пористый титановый костный имплантат с антибактериальными свойствами. Синергетическое антибактериальное поведение трансплантата может привести к появлению нового типа имплантата, который переживает пациентов с минимальным обслуживанием.
Ученые из Техасского университета A&M (https://www.tamu.edu/), с другой стороны, объединили 3D-печать, разработку биоматериалов и биологию стволовых клеток, чтобы создать новые, более эффективные трансплантаты костей лица. Высокоостеогенные каркасы не только способствуют росту костных клеток, но и служат надежной платформой для регенерации кости.
Для разработки и оценки технологии команда штата Орегон установила партнерские отношения с коллегами из OHSU, Университета Орегона (https://www.uoregon.edu/), Нью-Йоркского университета (https://www.nyu.edu/) и Университета Махидола в Таиланде (https://mahidol.ac.th/). Выводы исследователей подробно изложены в их статье под названием «3D-печать загруженных микрогелем модульных микроклеток в качестве инструментария для тканевой инженерии», опубликованной в журнале Advanced Materials.