Биофабрикация: 3D-печать, акустические пинцеты и создание нейронов в микроскопических клетках
В TU Wien (Вена) создали микроскопически маленькие клетки с отверстиями решетки размером всего в несколько микрометров, что делает их идеальными для удержания клеток и позволяет живой ткани расти в определенной форме. Это новое направление исследований называется биофабрикацией.
В сотрудничестве со Стэнфордским университетом исследователи ввели нервные клетки в сферические клеточные структуры с помощью технологии акустической биопечати, чтобы позволить там развиваться многоклеточной нервной ткани. Исследователи также создали нервные связи между клетками. Для управления нервными клетками использовали звуковые волны в качестве акустических пинцетов.
Клетки в форме футбольного мяча
«Если вы предоставите живым клеткам определенный каркас, вы можете сильно повлиять на их поведение», — объясняет профессор Александр Овсянников, руководитель исследовательской группы 3D-печати и биофабрикации. «Трехмерная печать позволяет с высокой точностью производить каркасные структуры, которые затем можно заселить клетками, чтобы изучить, как растет живая ткань и как она реагирует».
Чтобы вырастить большое количество нервных клеток в небольшом пространстве, команда решила использовать так называемые «бакиболлы» — геометрические фигуры из пятиугольников и шестиугольников, напоминающие микроскопический футбольный мяч.
«Отверстия бакиболлов достаточно велики, чтобы позволить клеткам мигрировать внутрь клетки, но когда клетки сливаются, они больше не могут покинуть клетку», — объясняет доктор Вольфганг Штайгер.
Крошечные клетки-бакиболлы были изготовлены с помощью процесса, известного как двухфотонная полимеризация: сфокусированный лазерный луч используется для запуска химического процесса в определенных точках жидкости, что приводит к затвердеванию материала именно в этих точках.
Акустические волны как пинцеты
Собрать клетки в бакиболлы через микроскопические отверстия очень сложно. Инновационная технология 3D-акустической биопечати, разработанная в Стэнфордской школе медицины, успешно решила эту задачу. Группа профессора Уткана Демирчи использует акустические волны в биомедицинских приложениях.
«Мы генерируем акустические колебания в растворе, в котором находятся клетки. Клетки следуют за звуковыми волнами... В процессе в определенных точках образуются узлы колебаний», — говорит профессор Демирчи. В этих узловых точках жидкость относительно статична. Если клетки находятся в этих точках, они остаются там; везде else они уносятся акустической волной. Таким образом, звуковая волна может быть использована очень контролируемым образом, почти как пинцет, чтобы направить клетки в нужное место.
«Акустические волны позволили нам заполнить каркасные структуры гораздо плотнее и эффективнее, чем это было бы возможно с помощью обычных методов заселения клетками», — сообщает доктор Таньчэнь Жэнь.
После успешного заселения бакиболлов нервными клетками они образовали связи с нейронами соседних бакиболлов. «Мы видим здесь огромный потенциал для использования 3D-печати для целенаправленного создания и изучения нейронных сетей», — говорит Александр Овсянников.