Новые решения в технологии 3D-биопринтинга

Актуальность

Точная пространственная организация тканевой механики является основой гетерогенных микромеханических сред, оптимальных для реализации функций морфогенеза и регенерации. С другой стороны, известно, что морфологическая гетерогенность тесно связана с развитием сердечно-сосудистых заболеваний и патологий опухолевого генеза. Разработка внеклеточного матрикса, обеспечивающая биологически необходимый уровень механической, структурной и биохимической гетерогенности, сопоставимой с таковым в нативных тканях, является перспективным направлением регенеративных технологий, решающих вопросы трансплантации тканей и органов, а также скрининга лекарственных препаратов и экспериментального моделирования заболеваний. До настоящего времени в работах, сосредоточенных на изучении структур гидрогелей, широко исследовались фоточувствительные реакции. Однако практические разработки были ограничены двумерной геометрией и многоступенчатыми процессами полимеризации изучаемых структур.

В недавнем исследовании ученые Колорадского университета в Боулдере (University of Colorado Boulder), США, сообщили об успешной апробации технологии 3D-биопринтинга, позволяющей локализовать контроль над твердостью объекта. Представленные достижения раскрывают новые возможности биомедицины, включая потенциальную разработку искусственных артерий и тканей необходимых органов. Статья опубликована в издании «Nature Communications» 5 октября 2018 г.

Материалы и результаты исследования

В своей работе авторы описывают поэтапный метод биопринтинга, позволяющий реализовать принципы мелкодисперсного программируемого контроля жесткости и, таким образом, открывающий возможности имитации сложной геометрии кровеносных сосудов, обладающих гибкостью и высокой степенью структуризации одновременно. По мнению исследователей, подобные разработки в будущем могут стать основой персонализированного лечения пациентов с артериальной гипертензией и другими сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Первоначальная идея экспериментально-исследовательского проекта состояла в усовершенствовании механических свойств трехмерных структур, имитирующих естественные ткани организма человека. В итоге новая технология позволила создавать микроструктуры, которые могли бы использоваться в экспериментальном моделировании тех или иных заболеваний.

Известно, что жесткость тканевых структур кровеносных сосудов коррелирует с патологическими изменениями в них. Поэтому создание жизнеспособных артерий с возможностью замены тканей оказалось сложной задачей. В поиске решений поставленного вопроса исследователями была выдвинута гипотеза, предполагающая возможность применения кислорода в качестве ключевого фактора, определяющего желаемый результат — форму трехмерной структуры, воспроизводимой в технологии биопринтинга. Сохранение жесткого контроля за миграцией кислорода с последующей световой экспозицией позволило исследователям управлять формированием плотности заданных структур и одновременно с этим поддерживать общую геометрию создаваемого объекта.

Выводы

В заключение авторы работы отметили, что современные технологии биопринтинга позволяют работать с биоматериалами размером до 10 микрон, а это составляет около ¹/₁₀ толщины человеческого волоса. Однако исследователи с оптимизмом смотрят в будущее, выражая надежду на то, что новые разработки позволят усовершенствовать биотехнологии 3D-принтинга в еще большей степени. По мнению исследователей, основная задача состоит в разработке более тонкой шкалы оценки химических реакций, что позволило бы существенно расширить возможности создания искусственных тканей.

• University of Colorado at Boulder (2018) 3D bioprinting technique could create artificial blood vessels, organ tissue. ScienceDaily, Oct. 22.
• Yin H., Ding Y., Zhai Y. et al. (2018) Orthogonal programming of heterogeneous micro-mechano-environments and geometries in three-dimensional bio-stereolithography. Nat. Commun., Oct. 5 [Epub. ahead of print].

Наталья Савельева-Кулик