3D-печать биологических тканей

Учёные работают над созданием функциональных биологических тканей с помощью 3D-печати для замены повреждённых тканей в организме. Исследователи из Института инженерных наук о границах раздела и биотехнологий им. Фраунгофера (IGB) совместно с Университетом Штутгарта разрабатывают и оптимизируют подходящие биочернила для аддитивного производства. Вариация состава биоматериала позволила расширить портфолио до чернил для костной ткани и васкуляризации, что заложило основу для создания костеподобных структур с капиллярными сетями.

Для печати используется послойное нанесение жидкой смеси, содержащей биополимеры (например, желатин или гиалуроновую кислоту), водную среду и живые клетки. Эти био-чернила остаются вязкими во время печати, а затем сшиваются УФ-светом в гидрогели — водосодержащие полимерные сети.

Целевая химическая модификация биомолекул

Химическая модификация биомолекул позволяет придать гелям разную степень сшивки и набухаемости, имитируя консистенцию натуральной ткани — от более прочных гидрогелей для хряща до мягких для жировой ткани.

Ключевая задача — предотвратить температурно-зависимое гелеобразование желатина при 21 °C. Для этого «маскируются» боковые цепи биомолекул, ответственные за желирование. Чтобы желатин не разжижался при ~37 °C, его необходимо химически сшивать. Для этого его функционализируют дважды: интегрируют сшиваемые метакриловые группы в биомолекулы, замещая части несшивающихся маскирующих ацетильных групп — уникальный подход в области биопечати.

В сотрудничестве с Университетом Штутгарта команда создала две разные гидрогелевые среды: более жёсткие гели с минеральными компонентами для костных клеток и более мягкие без минеральных компонентов для клеток кровеносных сосудов.

Костные чернила и чернила для васкуляризации

Костные чернила созданы на основе специальной смеси порошка костного минерала гидроксиапатита и биомолекул. Цель — позволить клеткам регенерировать исходную ткань, то есть самостоятельно формировать костную ткань.

Чернила для васкуляризации образуют мягкие гели, поддерживающие формирование капиллярных структур. В них внедрены клетки, образующие кровеносные сосуды. Клетки мигрируют, сближаются и формируют системы капиллярных сетей из небольших трубчатых структур. Согласно литературе, такой костный имплантат с предварительно сформированными капиллярными структурами соединится с кровеносной системой реципиента гораздо быстрее, чем имплантат без них. Без чернил для васкуляризации успешная 3D-печать крупных тканевых структур была бы, вероятно, невозможна.

Текущий проект команды — разработка матриц для регенерации хряща. Для каждого типа клеток, изолированных из ткани тела и размноженных в лаборатории, необходимо создать подходящую среду, в которой они смогут выполнять свои специфические функции в течение длительного времени.

Исследования продолжаются в Высокоэффективном центре массовой персонализации в Штутгарте совместно с Институтом производственных технологий и автоматизации им. Фраунгофера (IPA) и Университетом Штутгарта. Междисциплинарная рабочая группа Additive4Life отвечает за создание новых технологий и пригодных для печати биоматериалов для биопечати.