Принтеры освоили время? Четырёхмерная биопечать.

Печать богатых биологическими клетками конструкций, демонстрирующих контролируемые сложные четырёхмерные преобразования формы. Источник.

В то время как стандартная 3D-печать использует цифровой чертёж для изготовления объекта из таких материалов, как пластик или смола, 3D-биопечать производит биологические части и ткани из живых клеток или биочернил (подобие каркаса в виде некоего молекулярного геля, включающего живые клетки и факторы их роста). Четвёртое измерение, представляющее собой преобразование формы с течением времени, может быть достигнуто за счёт включения материалов, которые позволяют печатным конструкциям трансформироваться несколько раз заранее запрограммированным образом или по требованию в ответ на внешние сигналы.

Печать таких четырёхмерных конструкций на основе биоматериалов даёт возможность лучше имитировать изменения формы, происходящие во время развития, заживления и нормального функционирования реальных тканей, а также открывает пути к созданию сложных многоуровневых структур.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, описывается разработка для 4D-биопечати новых наполненных клетками биочернил. Они состоят из плотно упакованных микрогелей в форме чешуек и живых клеток, что позволяет создавать биологические инженерные конструкции, богатые клетками, способными, в свою очередь, менять форму в физиологических условиях.

Авторами исследования, названного «Гидрогель с замятыми микрохлопьями для четырёхмерной биопечати живых клеток», являются инженеры Иллинойского университета в Чикаго. Они создали биочернила и провели эксперименты с прототипами гидрогелей, которые привели к появлению множества сложных биоконструкций с чётко определёнными конфигурациями и весьма высокой степенью жизнеспособности клеток. Одним их результатов этих усилий было создание нового четырёхмерного тканевого образования, строением и свойствами подобного хрящевой ткани. Дальнейшие разработки демонстрируют сложные многократные метаморфозы 3D-форм (это преобразование можно представить как движение – переход из одного положения в другое) в биоконструкциях, изготовленных за один процесс печати.

«Эта система биочернил даёт возможность печатать биоконструкции, способные со временем достигать более сложных архитектурных изменений, чем это было возможно ранее. Эти богатые клетками структуры с предварительно программируемым и контролируемым изменением формы обещают лучше имитировать естественные процессы развития организма и могут помочь учёным проводить более точные исследования морфогенеза тканей и добиваться больших успехов в тканевой инженерии», – говорит автор-корреспондент исследования Эбен Алсберг, председатель департамента биомедицинской инженерии Ричарда и Лоана Хилла университета Иллинойс. Он также работает на кафедрах машиностроения и промышленной инженерии, фармакологии и регенеративной медицины, а также ортопедии.

Учёный говорит, что биочернила раскрывают предыдущие технологии несколькими способами. Дело, прежде всего в их свойстве некоторого разжижения при сдвиге и способности к быстрому самовосстановлению. Эта их удивительная особенность обеспечивает гладкую печать на основе экструзии с высоким разрешением и высокой точностью.

«Печатные биоконструкции после дальнейшей стабилизации с помощью светового сшивания остаются неповреждёнными во время, например, сгибания, скручивания или подверженности любому количеству множественных деформаций. С помощью этой системы хрящевидные ткани сложной формы, развивающиесяся с течением времени, могут стать биоразрабатываемыми», – поясняет он, акцентируя важность появившейся возможности производить биоконструкции, способные претерпевать сложные трёхмерные преобразования формы. Разработку позволяющей это системы профессор Алсберг называет ключевым достижением.

«Это первая система, отвечающая жёстким требованиям печати четырёхмерных биоконструкций: загружать живые клетки биочернилами, позволять печатать большие сложные структуры, запускать преобразование формы в физиологических условиях, поддерживать долгосрочную жизнеспособность клеток и способствовать желаемым функциям клеток, таким как регенерации ткани», – говорит Айсян Дин, научный сотрудник Чикагского университета Иллинойс и первый автор статьи. –«Мы пытаемся перевести эту систему в клиническое применение тканевой инженерии, поскольку существует острая нехватка доступных донорских тканей и органов».

АРМК, по материалам UIC