Ученые из Университета Буффало разработали новый быстрый метод 3D-биопечати, который может стать значительным шагом на пути к полностью напечатанным человеческим органам.
Используя новый подход, основанный на SLA, команде удалось сократить время, необходимое для создания гидрогелевых структур с клетками, с 6 часов до 19 минут. Ускоренный метод биопроизводства также позволяет производить встроенные сети кровеносных сосудов, что потенциально делает его значительным шагом на пути к спасающим жизнь органам, напечатанным на 3D-принтере, которые необходимы тем, кто находится в списках ожидания трансплантации.
«Наш метод позволяет быстро печатать модели гидрогеля сантиметрового размера», - пояснил ведущий соавтор исследования Чи Чжоу. «Это значительно снижает деформацию деталей и повреждения клеток, вызванные длительным воздействием стрессов окружающей среды, которые обычно наблюдаются при традиционной 3D-печати».
«РАЗРАБОТАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НА 10-50 РАЗ БЫСТРЕЕ, ЧЕМ ОТРАСЛЕВЫЙ СТАНДАРТ, И РАБОТАЕТ С ОБРАЗЦАМИ БОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ, КОТОРЫЕ БЫЛО ОЧЕНЬ ТРУДНО ДОСТИГНУТЬ РАНЬШЕ»
Несмотря на то, что структуры, содержащие клетки с биопечатью, обладают значительным потенциалом, когда речь идет о трансплантации тканей и органов человека, технология всё еще находится на начальной стадии. Одним из основных препятствий, стоящих перед более широким внедрением этих процессов, является скорость печати, поскольку скорость осаждения гидрогелей до сих пор была ограничена, чтобы не повредить их действующие клетки.
Методы, основанные на насадках, имеют и другие недостатки, поскольку они могут вызывать длительное воздействие на клетки напряжения сдвига, а также низкие уровни кислорода и температуры, повреждая их в процессе печати. Более того, гидрогелевые каркасы, полученные с использованием обычных методов, часто обладают низкой механической прочностью, что затрудняет включение мягких выступающих структур, таких как сосудистые каналы.
Хотя использование жертвенных опор позволяет ученым частично преодолеть этот недостаток, простота метода экструзии, лежащего в основе этого подхода, продолжает ограничивать его возможности. Но недавно разработанные технологии непрерывного производства жидких поверхностей (CLIP) могут значительно повысить скорость процессов биопечати.
Путем непрерывного наращивания слоев над «мертвой зоной» методы CLIP позволяют постоянно пополнять запасы материалов, увеличивая производственные мощности, но за счет создания только тонкостенных деталей. Основываясь на этом подходе, команда Buffalo разработала метод «FLOAT», при котором гидрогели могут осаждаться с более высокой скоростью, что позволяет производить более крупные васкуляризованные ткани.
Во время использования оптимизированного исследователями метода FLOAT объекты, по сути, отверждаются через стеклянную пластину внутри чана с гидрогелем при низких силах всасывания, в результате чего получаются толстые детали с высокой эластичностью. Чтобы доказать биосовместимость своего подхода, команда первоначально изготовила набор образцов из совместимого с клетками полимера PEGNB.
Интересно, что хотя тестовые детали продемонстрировали достаточную жесткость, они также уменьшились на 51%, в результате чего исследователи переключились на материал PEGDA для более крупных моделей. В ходе более масштабных испытаний команда Buffalo затем напечатала на 3D-принтере несколько гидрогелевых структур в форме руки размером 2,6 × 1,7 × 5,6 см с «пальцами», которые сгибались при сжатии.
Создание тех же моделей с использованием обычного 3D-принтера SLA заняло у команды около 6,5 часов, что значительно больше, чем 19 минут их машины на основе FLOAT. Руки ученых на основе гидрогеля также имели сосудистые каналы, а это означало, что в конечном итоге они могли быть засеяны эндотелиальными клетками для создания функциональных трансплантируемых конечностей.
В конце концов, ученым удалось засеять участки клеток в микроканалы ex-vivo, но они также обнаружили, что их интеграция в более прочные структуры приводит к низкой жизнеспособности клеток. В будущем команда считает, что переход на полимеры с добавками наноматериалов может дать ответ на вопрос баланса жесткости и совместимости, а также позволит быстро производить васкуляризованные структуры на основе гидрогеля.
Хотя 3D-биопечать остается в значительной степени экспериментальной, есть признаки того, что технология постепенно прогрессирует в направлении большего числа конечных приложений.
Производитель 3D-принтеров компания 3D Systems объявила о крупном прорыве в своей платформе биопечати Print to Perfusion в начале этого года. Теперь система способна создавать полноразмерные васкуляризованные каркасы легких, и компания заявила, что скоро эта технология будет играть ключевую роль в её бизнесе в сфере здравоохранения.
Биотехнологическая фирма United Therapeutics и израильская компания CollPlant также добились значительных успехов в своем стремлении к массовому производству почек, напечатанных на 3D-принтере. Компании превратили бывшую табачную фабрику в современную линию 3D-биопечати, которая могла бы производить дополнительные органы.
В других местах усилия по созданию функциональных человеческих органов ограничивались миниатюрными моделями, такими как крошечные трехмерные сердца с биопечатью, созданные учеными Техасского университета в Эль-Пасо. Васкуляризированные структуры были отправлены на Международную космическую станцию (МКС), чтобы проверить, как микрогравитация влияет на сердце человека.
Выводы исследователей подробно описаны в их статье «Быстрая стереолитографическая печать крупномасштабных биосовместимых моделей гидрогелей». Соавторами исследования являются Нандита Анандакришнан, Ханг Йе, Зипенг Го, Чжаовей Чен, Кайл И. Ментковски, Дженнифер К. Ланг, Ника Раджабиан, Стелиос Т. Андредис, Чжэнь Ма, Джозеф А. Сперняк, Джонатан Ф. Ловелл. , Дэпэн Ван, Цзюнь Ся, Чи Чжоу и Жоган Чжао.