Відповідно до даних, отриманих Університетом охорони здоров’я та послуг для населення США, щороку в Штатах 17 людей помирають через надмірно тривале очікування органів для трансплантації. Кожні 9 хвилин до списку тих, хто чекає на свою чергу, додається ще одна людина. Одне з можливих рішень дефіциту органів для пересадки — розробка сумісних із людською природою біоматеріалів, за допомогою яких можна надрукувати 3D органи та формувати тканини. Однак поки що спроби вчених не були успішними: модернізовані об’ємні гідрогелеві біо-чорнила не змогли прижитися в організмі людини і достатньо підтримувати функціонування клітин у складних конструкціях тканин.
Дослідники університету в Пенсільванії розробили нано-інженерне гранульоване чорнило з біо-матеріалів, яке складається з мікроскопічних частинок, що самозбираються, – мікрогелів – за допомогою чого їм вдалося досягти недосяжної раніше точності відтворення тканини, пористості структур і рівня інтеграції клітин. Результати дослідження та опис розробки були опубліковані у журналі Small.
Можливості нових біо-чорнил. Їхня значимість у створенні тривимірних моделей органів
Амір Шейхі, вчений кафедри хімічної інженерії університету в Пенсільванії, сказав, що вченим вдалося подолати обмеження, пов’язані з використанням гранульованих гідрогелів для тривимірного друку органів. Наночастинки, що самозбираються, з яких тепер складаються чорнило, демонструють і добре зберігають мікропористість, і володіють поліпшеними друкованими властивостями і більш досконалою формою в плані точності.
Основою для більшості біо-чорнил є гідрогель – полімерна речовина, яка може утримувати воду у великих кількостях, при цьому, зберігаючи свою структуру. Воно має нано-пори, які обмежують взаємодію між клітинами, а також циркуляцію поживних речовин та кисню. Таким органам також необхідно ремоделювання для того, щоб забезпечити міграцію та інфільтрацію клітин, а також правильне інгібування інтеграції чорнила в тканині.
Основне обмеження для 3D-біодруку, що виконується з використанням гідрогелевих біо-матеріалів, пов’язане з тим, щоб знайти та встановити баланс між життєздатністю клітин та точністю форми, що регулюється пористістю гідрогелю та його жорсткістю. За словами Шейхи, збільшення жорсткості речовини призводить до поліпшення параметра точності форми конструкцій, однак, може зменшити пористість. А це є загрозою для життєздатності клітин.
Для вирішення цієї проблеми вчені почали застосовувати мікрогель для створення тканинного каркасу. Його основна відмінність від об’ємного гелю полягає в тому, що каркаси, виконані з цієї речовини можуть формувати пористі тривимірні структури, не втрачаючи їх точність.
Але, як кажуть дослідники, міграція клітин та збереження їхньої життєздатності все ще залишаються певною проблемою. Для того, щоб досягти необхідних характеристик для 3D-органів, гідрогелеві структури повинні щільно прилягати один до одного, обмежуючи простір між ними. Це, своєю чергою, може негативно зашкодити пористості тканини і, відповідно, на рухливості і життєздатності клітин.
Вчені штату Пенсільванія працюють саме над тим, щоб зберегти властивості гранульованого гідрогелю, підвищуючи його липкість та коригуючи його склад. Таким чином, гідрогелеві структури “прилипатимуть” один до одного, зберігаючи цілісність дрібномасштабних пір.
За словами вчених, можливості цієї технології можуть бути розширені і на інші гранульовані розробки, що складаються з природних, синтетичних або гібридних гідрогелів. Такі структури також можна буде зібрати воєдино за допомогою аналогічних наночастинок і застосування таких методів, як індукування зарядом, оборотне зв’язування, динамічні ковалентні зв’язки тощо.
У планах вчених — вивчити всі можливості застосування нано-інженерних біо-чорнил для подальшого використання для 3D-біодруку та тривимірного тканинного моделювання. Маючи вирішення такої проблеми, як недосконалість біо-матеріалів, дослідники зможуть відкрити нові можливості для створення функціональних органів і розширити горизонти тканинної інженерії.
