Исследователи из Технологического университета Наньян (NTU) разработали чернила для биопечати с добавлением экстракта подсолнечника, которые могут дать новое поколение биомедицинских устройств.
В отличие от обычных податливых биочернил, созданный командой материал на основе пыльцы может быть настроен так, чтобы придать ему большую жесткость, таким образом, его можно печатать на 3D-принтере в структуры без потери целостности между слоями. Ученые, которые уже использовали свои чернила для создания каркасов тканевых регенеративных клеток, теперь считают, что у них есть значительный потенциал в области тканевой инженерии, тестирования токсичности и доставки лекарств.
«Биопечать может быть сложной задачей, потому что материал используемых чернил, как правило, слишком мягкий, а это означает, что структура предполагаемого продукта может разрушиться во время печати», - объяснил со-ведущий автор исследования Чо Нам-Джун. «За счет настройки механических свойств пыльцы подсолнечника мы разработали гибридные чернила на основе пыльцы, которые можно использовать для печати структур с хорошей структурной целостностью».
«ПРИ МНОГОЧИСЛЕННОМ ВИДЕ ВИДОВ ПЫЛЬЦЫ, СУСПЕНЗИЯ ПЫЛЬЦЫ В МИКРОГЕЛЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО МОЖЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВОГО КЛАССА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ».
Благодаря присущей ей способности включать живые клетки, 3D-печать Direct Ink Writing (DIW) становится все более популярным средством создания биомедицинских устройств, таких как тканевые каркасы. Точно так же гидрогели часто используются в DIW, потому что они настраиваются, они облегчают прикрепление клеток и способны точно имитировать биологические ткани.
Однако, по мнению исследователей NTU, гидрогели также характеризуются низкой механической стабильностью и биоинертностью, что требует создания «гибридных» чернил, которые «обеспечивают функции и свойства, недостижимые ни одним гидрогелем».
В прошлом некоторые ученые обнаружили, что интеграция нановолокон или нанопластинок в гидрогелевые биочернила укрепляет их и предотвращает засорение сопел принтера. Другие разработали поддерживающие матрицы, состоящие из гидрогелей, ячеек и каучука, которые помогают сохранить печатные структуры до того, как они полностью затвердеют, а также обеспечивают повышенную стабильность и устойчивость за счет многократно используемых ингредиентов.
Вдохновляясь последним, команда NTU создала суспензию микрогелей из возобновляемых зерен пыльцы. Ученые говорят, что, учитывая ее одинаковый размер, а также регулируемое и последовательное реологическое поведение, пыльца дает идеальные поддерживающие матрицы, а ее способность реагировать на раздражители может дать ей потенциальные возможности доставки лекарств.
Чтобы создать свои новые биочернила, исследователи начали с использования метода, похожего на мыловарение, чтобы превратить пыльцу подсолнечника в суспензию микрогеля. Затем это было смешано с альгинатом, каучуком и гиалуроновой кислотой, в результате чего получилась смесь, состоящая из зерен пыльцы с более мягким внешним слоем, чем обычно, что позволило их сжать в сопле принтера, не заедая его.
Фактически, во время ранних испытаний ученые обнаружили, что они могут выдавливать свои биочернила с любым заданным объемом содержания пыльцы, не забивая свой 3D-принтер. Продемонстрировав первоначальную жизнеспособность своего материала путем создания многослойных микроструктур, команда затем приступила к изготовлению нагруженных красителем каркасов, чтобы оценить его потенциал доставки лекарств.
Интересно, что количество красителя, высвобождаемого во время этих экспериментов, со временем менялось, таким образом, благодаря природе реакции на стимулы пыльцы, биочернила могут быть настроены на высвобождение лекарств в соответствии с дозировками для конкретного пациента. Учитывая, что пыльца также является биосовместимой, исследователи также смогли загрузить свои каркасы клетками, создав пятислойную структуру, которая продемонстрировала 94% жизнеспособности клеток.
Наконец, команда увеличила содержание каучука и альгината в своих чернилах, чтобы проверить их способность производить более традиционные биомедицинские устройства, такие как опоры. На практике это означало создание устройства «купола из силиконовой резины», которое, по словам ученых, «показало хорошую структурную точность» и «улучшенное разрешение печати» благодаря наличию пыльцы в основе.
Двигаясь вперед, исследователи намерены дополнительно оптимизировать свою подвеску, улучшив ее способность к вторичной переработке после нескольких циклов нагрева,они уже рассматривают её как жизнеспособный способ избежать засорения сопла во время 3D-печати, и, учитывая её поведение, реагирующее на раздражители, они говорят, что это может быть «обильный и доступный исходный материал» для будущих биомедицинских приложений.
«Наши открытия могут открыть новые возможности для создания гибких мембран, которые точно соответствуют контурам человеческой кожи, таких как повязки на раны или маски для лица», - заключил соавтор исследования Сун Джуха. «Используя наши биосовместимые, гибкие и недорогие чернила, мы можем изготавливать мембраны, адаптированные к контурам человеческой кожи и способные изгибаться, не ломаясь».
По мере того, как индустрия 3D-печати продолжает поиск экологически чистых альтернатив полимерам на масляной основе, ученые все чаще обращаются к матери-природе за ответами. Например, исследователи из Португальского университета Авейру и Института материалов Авейру недавно разработали материал ABS на основе бамбука, который, по их словам, позволяет получать «детали повышенного качества».
В Федеральном институте исследования и испытаний материалов ученые обратились к насекомым, превратив отходы термитов в уникальный связующий материал для струйной печати. Хотя исходное сырье показало низкий уровень прочности, разработчики утверждают, что в будущем его можно будет использовать для создания высокоточных филигранных структур.
В другом месте исследователи восприняли разработки матери-природы, а не ее сырые ингредиенты, как, например, команда из Кильского университета, которая напечатала на 3D-принтере «остроконечные суставы» в стиле стрекоз, конструкция также делает их достаточно гибкими и надежными, чтобы соответствовать требованиям конечного использования.
Выводы исследователей подробно описаны в их статье «Разработка природных пыльцевых зерен как многофункциональных материалов для 3D-печати».