Три инновации в объемной биопечати для создания функциональных тканей
Биопечать — это печать живых клеток и тканей, перспективная технология для решения проблемы нехватки донорских органов. Однако создание функциональных тканей сталкивается с серьезными трудностями. Исследователи из UMC Utrecht представили три новые разработки, которые помогают преодолеть ключевые ограничения.
Проблемы существующих методов:
- Экструзионная 3D-печать позволяет точно размещать разные типы клеток, но процесс медленный (часы), создает механический стресс для клеток и зависит от гравитации.
- Объемная (volumetric) биопечать решает проблемы скорости (секунды) и гравитации, но клетки распределяются в геле случайно, а твердый гель мешает их движению и коммуникации.
Инновация 1: Биохимическое редактирование напечатанной структуры
Задача: После объемной печати невозможно контролировать расположение биоактивных молекул (например, факторов роста), которые направляют развитие клеток.
Решение: Исследователи модифицировали пористость и состав желатинового геля, чтобы после печати в него можно было «вписать» биомолекулы в любой 3D-форме с помощью фотоинициатора.
Ключевая цитата (Marc Falandt): «Этот метод дает нам трехмерный контроль над местом, где вы хотите, чтобы ваши биомолекулы оказались. Что-то, что было невозможно раньше... Это позволяет нам близко имитировать сложную биохимическую среду нативных тканей».
Значение: Теперь можно создавать в напечатанном объекте химические «тропы», которые направят рост, например, кровеносных сосудов.
Инновация 2: Гранулированные гели для лучшей среды для клеток
Задача: Напечатанным клеткам нужна среда, где они могут двигаться, расти и общаться, но при этом материал должен сохранять форму.
Решение: Использование гранулированных смол (упакованных вместе микрогелей). Это позволило комбинировать преимущества экструзии и объемной печати.
Как это работает:
- Экструзионной печатью в гранулированный гель точно вносятся клетки.
- Объемной печатью быстро формируется окончательная форма вокруг них.
Результаты: В гранулированных смолах клетки демонстрировали гораздо большую биологическую активность, чем в твердых гелях. За 8 дней стволовые клетки лучше распространялись, эпителиальные — формировали больше контактов.
Ключевая цитата (Davide Ribezzi): «Мы представляем себе смешивание и даже локальное структурирование микрогелей из разных материалов... Эти инструменты повысят функциональность тканей».
Инновация 3: Гибридная печать для создания функциональных кровеносных сосудов
Задача: Объемная печать создает клеточно-дружественные, но механически слабые структуры. Кровеносные сосуды должны выдерживать давление.
Решение: Комбинация объемной биопечати и плавящей электрописьма (melt electrowriting).
Как это работает:
- Методом плавящей электрописьма создается прочный каркас (скаффолд) из биодеградируемого пластика.
- Каркас помещается в фотоактивный гель с клетками.
- Объемный биопринтер лазером отверждает гель точно на/вокруг каркаса.
Достижения: Исследователи напечатали сосуды с двумя слоями стволовых клеток и выстилкой из эпителиальных клеток, создали разветвленные сосуды и даже сосуды с функционирующими венозными клапанами.
Ключевая цитата (Gabriël Größbacher): «Это было исследование proof of principle. Наша цель сейчас — напечатать функциональный кровеносный сосуд» (добавив мышечные клетки и фиброзную ткань).
Общий вывод (Riccardo Levato): Максимальный потенциал раскроется при объединении этих инноваций: «Возможность печатать биологически активные молекулы в оттиске, который использует гранулированный гель, означает, что клетки могут лучше использовать молекулярную информацию, а также расти и развиваться в ткань вместе со своими соседними клетками».