Безопасный биочернила для печати искусственных органов

Разработка биоматериалов для искусственных органов и тканей — активная область исследований из-за роста травматизма, хронических заболеваний и наступления общества сверхвысокого возраста. Технология 3D-биопечати, использующая клетки и биоматериалы для создания трёхмерных искусственных тканевых структур, недавно стала популярной. Однако распространённые гидрогелевые биочернила могут вызывать цитотоксичность из-за химического сшивающего агента и ультрафиолетового света, используемых для соединения молекулярной структуры фотополимеризуемых биочернил.

Исследовательская группа доктора Сон Су Чана из Центра биоматериалов Корейского института науки и технологий (KIST) впервые разработала термочувствительные биочернила на основе поли(органофосфазенового) гидрогеля. Они стабильно поддерживают свою физическую структуру только за счёт контроля температуры без фотополимеризации, индуцируют регенерацию тканей, а затем биодеградируют в организме через определённое время.

Современные гидрогелевые биочернила должны проходить процесс фотополимеризации для улучшения механических свойств 3D-каркаса после печати, что несёт высокий риск побочных эффектов в организме человека. Кроме того, существовала возможность побочных эффектов при трансплантации выращенных внешне клеток внутри биочернил для усиления регенерации тканей.

Соответственно, исследовательская группа разработала новый материал для биочернил, используя термочувствительный поли(органофосфазеновый) гидрогель, который существует в жидкой форме при низких температурах и превращается в твёрдый гель при температуре тела. Это позволило регенерировать ткани только за счёт контроля температуры, без химических сшивающих агентов или УФ-облучения, и создавать трёхмерный каркас с физически стабильной структурой, что минимизировало возможность нежелательных иммунных эффектов.

Разработанные биочернила также обладали молекулярной структурой, способной взаимодействовать с факторами роста — белками, помогающими регенерации тканей, — чтобы сохранять эти регуляторы роста, дифференцировки и иммунного ответа клеток в течение длительного времени. Команда смогла максимизировать эффект регенерации тканей, создав среду, в которой дифференцировка клеток могла автономно регулироваться внутри 3D-каркаса, напечатанного биочернилами.

Исследователи создали 3D-каркас с помощью 3D-биопринтера, используя биочернила, содержащие трансформирующий фактор роста бета-1 (TGF-β1) и костный морфогенетический белок-2 (BMP-2), необходимые для инфильтрации клеток и регенерации кости, и имплантировали его в повреждённую кость крысы. В результате клетки из окружающей ткани мигрировали в каркас, дефект кости восстановился до нормального уровня, а имплантированный 3D-каркас медленно биодеградировал в организме в течение 42 дней.

Доктор Сон Су Чан из KIST сообщил, что технология термочувствительного полифосфазенового гидрогеля была передана компании NexGel Biotech Co., Ltd. в июне 2022 года, и сейчас идёт разработка продуктов, таких как материалы для костной пластики и косметические филлеры. Поскольку новые биочернила имеют иные физические свойства, ведутся дальнейшие исследования по их применению для регенерации других тканей помимо костной. Ожидается, что в итоге удастся коммерциализировать биочернила, адаптированные для каждой конкретной ткани и органа.