Ученые биопечатают тканеподобные конструкции, способные к контролируемому сложному изменению формы.
В то время как стандартная 3D-печать использует цифровой чертеж для изготовления объекта из таких материалов, как пластик или смола, 3D-биопечать производит биологические части и ткани из живых клеток или биочернил. Четвертое измерение — трансформация формы с течением времени — может быть достигнуто за счет включения материалов, которые позволяют печатным конструкциям трансформироваться несколько раз заранее запрограммированным образом или по запросу в ответ на внешние сигналы.
Биопечать 4D-конструкций дает ученым возможность лучше имитировать изменения формы, происходящие во время развития, заживления и нормального функционирования реальных тканей, а также создавать сложные структуры.
В новом исследовании, опубликованном в научном журнале Advanced Materials , описывается разработка новых наполненных клетками биочернил, состоящих из плотно упакованных микрогелей в форме чешуек и живых клеток, для биопечати 4D-конструкций. Эта новая система позволяет производить биоконструкции, богатые клетками, которые могут менять форму в физиологических условиях.
Авторами исследования, названного «Гидрогель с замятыми микрохлопьями для четырехмерной биопечати живых клеток», являются инженеры Иллинойского университета в Чикаго, которые создали биочернила и провели эксперименты с прототипами гидрогелей.
Их эксперименты привели к множеству сложных биоконструкций с четко определенной конфигурацией и высокой жизнеспособностью клеток, включая образование ткани, похожей на хрящ 4D. Дальнейшие разработки демонстрируют сложные многократные преобразования формы из 3D в 3D в биоконструкциях, изготовленных за одну печать.
«Эта система биочернил дает 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 ученым. проводить более точные исследования морфогенеза тканей и добиваться больших успехов в тканевой инженерии», — сказал соответствующий автор исследования Эбен Алсберг, председатель Ричарда и Лоана Хилла, который работает на кафедрах биомедицинской инженерии, машиностроения и промышленной инженерии, фармакологии и регенеративной медицины, а также ортопедия.
Альсберг говорит, что биочернила продвигают предыдущие технологии несколькими способами.
«Биочернила обладают так называемыми свойствами разжижения при сдвиге и быстрым самовосстановлением, что обеспечивает гладкую печать на основе экструзии с высоким разрешением и высокой точностью без поддерживающей ванны. Печатные биоконструкции после дальнейшей стабилизации с помощью светового сшивания остаются неповрежденными, в то время как — например — сгибание, скручивание или претерпевание любого количества множественных деформаций. С помощью этой системы хрящевидные ткани сложной формы, которые эволюционируют с течением времени, могут быть биоинженерными», — сказал Альсберг. «Еще одним ключевым достижением стала разработка системы, которая позволяет производить биоконструкции, способные претерпевать сложные преобразования трехмерной формы в трехмерную».
«Это первая система, отвечающая жестким требованиям биопечати 4D-конструкций: загрузка живых клеток в биочернила, возможность печати крупных сложных структур, запуск преобразования формы в физиологических условиях, поддержка долгосрочной жизнеспособности клеток и облегчение желаемых функций клеток, таких как ткани. регенерации», — сказал Айсян Дин, научный сотрудник UIC и первый автор статьи. «Мы пытаемся перевести эту систему в клиническое применение тканевой инженерии, поскольку существует острая нехватка доступных донорских тканей и органов».
Теги: биотехнологии
