В соответствии с данными, полученными Университетом здравоохранения и услуг для населения США, каждый год в Штатах 17 человек умирают из-за чрезмерно длительного ожидания органов для трансплантации. Каждые 9 минут в список тех, кто ждет своей очереди, добавляется еще один человек. Одно из возможных решений дефицита органов для пересадки — разработка совместимых с человеческой природой био-материалов, при помощи которых можно напечатать 3D органы и формировать ткани. Однако пока что попытки ученых не были успешны: модернизированные объемные гидрогелевые био-чернила не смогли прижиться в организме человека и достаточным образом поддерживать функционирование клеток в сложных тканевых конструкциях.
Исследователи университета в Пенсильвании разработали нано-инженерные гранулированные чернила из био-материалов, которые состоят из самособирающихся микроскопических частиц — микрогелей — посредством чего им удалось достичь недостижимой ранее точности воссоздания ткани, пористости структур и уровня интеграции клеток. Результаты исследования и описание разработки были опубликованы в журнале Small.
Возможности новых био-чернил. Их значимость в создании трехмерных моделей органов
Амир Шейхи, ученый кафедры химической инженерии университета в Пенсильвании, сказал, что ученым удалось преодолеть ограничения, связанные с использованием гранулированных гидрогелей для трехмерной печати органов. Самособирающиеся наночастицы, из которых теперь состоят чернила, демонстрируют и хорошо сохраняют микропористость, и обладают улучшенными печатными свойствами и более совершенной формой в плане точности.
Основой для большинства имеющихся сейчас био-чернил является гидрогель — полимерное вещество, которое может удерживать воду в больших количествах, при этом, сохраняя свою структуру. Оно имеет нано-поры, которые ограничивают взаимодействие между клетками, а также, циркуляцию питательных веществ и кислорода. Таким органам также необходимо ремоделирование для того, чтобы обеспечить миграцию и инфильтрацию клеток, а также, правильное ингибирование интеграции чернил в ткани.
Основное ограничение для 3D-биопечати,выполняемой с использованием гидрогелевых био-материалов, связано с тем, чтобы найти и установить баланс между жизнеспособностью клеток и точностью формы, что регулируется пористостью гидрогеля и его жесткостью. По словам господина Шейхи, увеличение жесткости вещества приводит к улучшению параметра точности формы конструкций, однако, может уменьшить пористость. А это является угрозой для жизнеспособности клеток.
Для решения данной проблемы, ученые начали применять микрогель для создания тканевого каркаса. Его основное отличие от объемного геля заключается в том, что каркасы, выполненные из этого вещества, могут формировать пористые трехмерные структуры, не утрачивая их точность.
Но, как говорят исследователи, миграция клеток и сохранение их жизнеспособности все еще остаются определенной проблемой. Для того, чтобы достичь необходимых характеристик для 3D-органов, гидрогелевые структуры должны плотно прилегать друг к другу, при этом, ограничивая пространство между ними. Это, в свою очередь, может негативно сказаться на пористости ткани и, соответственно, на подвижности и жизнеспособности клеток.
Ученые штата Пенсильвания работают именно над тем, чтобы сохранить свойства гранулированного гидрогеля, повышая его липкость и корректируя его состав. Таким образом, гидрогелевые структуры будут “прилипать” друг к другу, сохраняя целостность мелкомасштабных пор.
По словам ученых, возможности данной технологии могут быть расширены и на другие гранулированные разработки, которые состоят из природных, синтетических или гибридных гидрогелей. Такие структуры также можно будет собрать воедино посредством использования аналогичных наночастиц и применения таких методов, как индуцирование зарядом, обратимое связывание, динамические ковалентные связи и прочего.
В планах ученых — изучить все возможности применения нано-инженерных био-чернил для дальнейшего их использования для 3D-биопечати и трехмерного тканевого моделирования. Делая упор на решении такой проблемы, как несовершенство био-материалов, исследователи смогут открыть новые возможности для создания функциональных органов и расширить горизонты тканевой инженерии.
