Профессор Арда Гозен смотрит в будущее, когда врачи смогут нажать кнопку, чтобы распечатать каркас на своих 3D-принтерах и создать индивидуальную замену кожи, хряща или других тканей для своих пациентов.
Гозен, Джордж и Джоан Берри, адъюнкт-профессор факультета машиностроения и материаловедения Вашингтонского государственного университета, а также группа исследователей разработали уникальный материал для строительных лесов, который можно адаптировать для сложных задач по выращиванию натуральных тканей. Они сообщают о своих исследованиях в журнале Bioprinting . В команду также входят исследователи из Школы химической инженерии и биоинженерии Джина и Линды Войланд при WSU, а также из Техасского университета в Сан-Антонио (UTSA), колледжа Морхаус и Университета Рочестера. Ведущий автор — Махмуд Амр, получивший степень доктора философии. в UTSA.
В последние десятилетия исследователи работали над использованием биологического материала в 3D-печати для создания тканей или органов для пациентов, выздоравливающих после травм или болезней. Использование 3D-печати или аддитивного производства позволяет печатать сложные, пористые и персонализированные структуры и может позволить врачам когда-нибудь печатать ткани для конкретного тела и потребностей пациента. Для создания биологических структур биологические материалы, известные как «биочернила», распределяются из сопла и наносятся слой за слоем, создавая сложные «каркасы» для реального биологического материала и обеспечивая хорошее место для роста клеток .
Однако природа пока что сложнее, чем могут угнаться исследователи. Настоящие биологические клетки любят расти на каркасе, приближающемся к их собственным свойствам. Так, например, клетка кожи хочет расти на каркасе, который ощущается как кожа, в то время как мышечная клетка будет развиваться только на каркасе, который ощущается как мышца.
«Успех этого метода в производстве функциональных тканей во многом зависит от того, насколько хорошо изготовленные структуры имитируют естественные ткани», — сказал Гозен. «Если вы хотите вырастить клетки и превратить их в функциональную ткань, вам необходимо соответствовать механической среде естественной ткани».
Традиционно исследователи изменяли свои каркасы путем простого удаления ферм, чтобы сделать их более мягкими или жесткими — метод, который слишком прост, чтобы решить всю необходимую сложность тканевой инженерии.
«У нас не так много ручек, которые нужно повернуть», — сказал Гозен. «Вам нужно больше степеней свободы, чтобы создать что-то более мягкое или более твердое, не меняя структуру».
Команда исследователей разработала новый биочернильный материал, который позволяет настраивать свойства, чтобы ближе подходить к тому, что может понадобиться клеткам. Ингредиенты для их каркаса включают желатин, гуммиарабик и альгинат натрия, которые являются обычными загустителями, используемыми во многих обработанных пищевых продуктах.
Подобно тому, как делают толстую веревку из плетеных нитей, исследователи использовали три отдельных химических процесса, чтобы связать их три ингредиента в один материал каркаса для печати.
Затем, играя с отдельными химическими процессами, можно точно настроить механические свойства материала, что позволит им сделать конечный каркас более мягким или жестким.
«Это дает вам возможность настраивать свойства без изменения конструкции строительных лесов и дает вам дополнительную степень свободы, к которой мы стремимся».
Регулируя химические связи между прядями веревки, они не сильно меняли материал, и он был пригоден для роста хрящевых клеток.
Работа все еще находится на начальной стадии, и исследователи хотели бы выяснить, как более точно настроить процесс и конечный материал. Например, они могут изменить состав своих трех материалов или печатать при разных температурах.
Попытка имитировать огромную сложность натуральных тканей остается сложной задачей. Даже простой кусок хряща размером с миллиметр, например, на колене, имеет три отдельных и разных слоя, каждый с разными механическими свойствами и функциями.
«Здесь вы не собираете Лего. Это всегда копирование природы, которая работает с телом», — сказал Гозен. «Вы можете создавать живые структуры, но они совсем не похожи на естественную ткань. Точность является ключевым моментом, потому что не существует единого целевого показателя механических свойств для одного куска ткани ».