Для меня биопечать тканей человека - это самая захватывающая область 3D-печати, хотя и самая сложная и трудная. Аддитивные процессы для этого приложения аналогичны любому другому процессу 3D-печати, но материалы, которые они обрабатывают, и структуры, которые необходимо собрать, намного сложнее. Однако новая комбинация материалов, разработанная исследователями из ETH Zürich, AO Research Institute Davos в Швейцарии и INNOVENT в Германии, открывает большие перспективы для одного из первых возможных применений биопечатных тканей: хрящей.
Хрящ - это первая ткань-кандидат, которая, по мнению ученых, может эффективно воспроизвести конечное использование у людей. Это связано с тем, что это одноклеточная многослойная структура, которая хорошо адаптируется ко многим процессам 3D-биопечати и поэтому не так сложна, как органы и другие ткани, такие как кожа.
Есть несколько разных способов биосборки хряща; наиболее распространенным является разработка каркаса из биосовместимого материала, такого как желатин, альгинат, углеводное стекло и термопласты, такие как полимолочная кислота (да, PLA), и нанесение на него биочернил, сделанных из хрящевых клеток. Другими словами, путем создания комбинации материалов, которые могли бы напоминать свойства хрящей, но в то же время достаточно прочные и мягкие, чтобы обеспечить «прокладку» для плавного движения суставов.
Эксперименты, проведенные до сих пор многими учреждениями по всему миру, хотя и многообещающие, привели к тому, что биочернила стали слишком мягкими и со временем ослабевают. Поиск правильного баланса усложняется тем фактом, что материал также должен поддаваться 3D-печати, то есть он должен быть достаточно мягким при экструдировании при температурах, совместимых с клеточной жизнью, и в то же время он должен затвердевать (или превращаться в гель) достаточно быстро, чтобы он мог сохранять форму, созданную в цифровом виде, с помощью инструкций файла САПР.
Ученые из ETH, AO и INNOVENT считают, что они нашли эту «идеальную» комбинацию, объединив поли(N-изопропилакриламид) (обозначенный символом pNIPAAM) и HA (гиалуронан) для создания чернил, которые жидкий при комнатной температуре, но затвердевает при печати на подложке, нагретой до температуры тела (37°). Чтобы сделать каркасы более прочными даже при механическом сжатии, можно добавить второй полимер - гиалуронанметакрилат или хондроитинсульфатметакрилат (CSMA), который ковалентно сшивается внутри геля HA-pNIPAAM, образуя сеть.
Из-за сложных аббревиатур это кажется еще более далеким, чем оно есть на самом деле. Что сделали ученые, так это просто обратили свое внимание на естественные компоненты хряща, такие как хондроитинсульфат и ГК. В своей исходной форме исходный раствор этих материалов слишком жидкий и медленно гелеобразный для печати, но они обнаружили, что добавление термочувствительного биосовместимого полимера может создать многообещающие биочернила.
«Смесь с HA-pNIPAAM открывает целый ряд полимеров, которые теперь можно печатать с хорошей жизнеспособностью клеток и хорошим разрешением», - говорит Зеноби-Вонг из ETH Zurich. «HA-pNIPAAM в основном можно комбинировать с любым сшиваемым предшественником гидрогеля… служить основой для многих других биочернил для различных приложений тканевой инженерии».
Это еще один шаг к биопринтингу простейшей ткани человека. Перед успешной 3D-печатью органов нам нужно узнать так много вещей, что существуют миллионы возможных подходов, все одинаково действенные, и миллионы захватывающих открытий, которые можно сделать путем экспериментов.