Прогресс в 3D-биопечати: создание искусственных кровеносных сосудов со слоистой структурой
Для разработки методов лечения заболеваний обычно используют модели на животных или культуры человеческих клеток, но животные модели не всегда точно воспроизводят человеческие болезни, а культуры клеток далеки от сложности реальных тканей. Достижения в области 3D-печати и знаний о биоматериалах позволяют воссоздавать сложные 3D-модели тканей в лаборатории.
Группа гибридных биофункциональных материалов центра CIC biomaGUNE под руководством исследователя Ikerbasque Дорлеты Хименес де Аберастури изучает, как комбинировать передовые методы биопечати с наноматериалами для получения моделей тканей, содержащих сосуды с различными слоями, способные реагировать на внешние стимулы.
Поскольку ткани организма снабжаются кровеносными сосудами, доставляющими кислород и питательные вещества, важно разрабатывать новые методы их создания. Чем реалистичнее модели органов и тканей, тем лучше можно понять причины заболеваний, изучить эффективность новых терапевтических препаратов и использовать их в качестве трансплантатов.
Исследователи CIC biomaGUNE (Дорлета Хименес де Аберастури, Ушуэ Айсарна и Малу Хенриксен) добились значительного прогресса в области 3D-биопечати, разработав материалы для создания лабораторных моделей тканей, максимально приближенных к реальным.
Результаты опубликованы в двух статьях журнала ACS Applied Materials & Interfaces: "Hybrid Plasmonic Bioresins and dECM-Based Materials for Volumetric Bioprinting of Vascular-Inspired Architectures" и "The Route to Artery Mimetics: Hybrid Bioinks for Embedded Bioprinting of Multimaterial Cylindrical Models".
Для производства таких материалов используются высокоточные принтеры, а «чернила» должны обладать специфическими свойствами. Одна из ключевых задач — найти материалы, пригодные для печати и обеспечивающие выживаемость клеток.
Важны как метод печати, так и свойства материалов для быстрого и точного создания качественной ткани. Также необходимо «найти материалы, которые можно комбинировать для многоматериальной печати и создания стабильных структур из различных слоев каждого материала», — отмечает Хименес де Аберастури.
Усовершенствованные материалы для сложных структур
В сотрудничестве с группой из Университета Маастрихта (Нидерланды) команда CIC biomaGUNE с помощью встроенной биопечати научилась печатать мягкие или жидкие материалы, которые нельзя печатать на воздухе (они деформируются или разрушаются до затвердевания). Используемые в этом методе «чернила» способствуют выживанию клеток.
С помощью этой техники удалось создать модель кровеносного сосуда с концентрическими цилиндрами, имитирующую различные слои артерии.
Кроме того, в сотрудничестве с командой из Университета Утрехта (Нидерланды) исследователи применили объемную биопечать, чтобы добавить в модель артерии клапаны. Этот метод предполагает одновременное формирование всего объема структуры путем проецирования изображений дизайна на определенный объем разработанной смолы (материала) с последующим отверждением (отвердеванием) материала, а не послойное нанесение.
«Эта техника позволяет с высокой скоростью достигать сложных форм», — пояснила исследователь. Ученым удалось «с высокой точностью спроектировать и напечатать клапан, который можно открывать и закрывать с помощью внешнего стимула, подобный тем, что находятся в сердце». Таким образом, «мы смогли напечатать клапан, артерию или вену, скопировав изображение реального пациента».
В обеих работах в качестве основы использовался метакрилированный желатин — мягкий материал на основе желатина, который можно химически модифицировать для отверждения под воздействием света. Этот тип желатина полезен в биопечати из-за совместимости с клетками и регулируемой вязкости.
К желатину добавляли внеклеточный матрикс (микроскопический каркас между клетками, поддерживающий ткань), полученный из легочной артерии свиньи.
«Воссоздать механические силы, которым подвергаются кровеносные сосуды из-за изменений артериального давления, важно, но сложно. Эти изменения важны для получения реалистичных ответов от клеток», — объяснила доктор Хименес де Аберастури.
Для этого исследователи использовали наночастицы золота, обладающие особой способностью интенсивно и контролируемо взаимодействовать со светом.
Используя эту инновационную комбинацию материалов и методов биопечати, команде CIC biomaGUNE удалось продвинуться в создании искусственных артерий, имитирующих артериальный пульс в ответ на воздействие лазера.
«Комбинируя эти усовершенствованные материалы и различные методы печати, мы смогли производить более сложные структуры, гораздо более похожие на те, что есть в человеческом теле», — заявили исследователи.
Однако они подчеркивают, что «это очень сложный процесс. Хотя мы теперь очень близки к тому, чтобы сделать эти артерии очень реалистичными, предстоит еще много шагов. И каждый шаг — это целый мир».