Новый гранулированный гидрогелевый биочернила расширяет возможности 3D-биопечати тканей

В США ежедневно 17 человек умирают в ожидании трансплантации органов, а каждые 9 минут в лист ожидания добавляется новый пациент. Одно из потенциальных решений проблемы нехватки органов — разработка биоматериалов, пригодных для 3D-печати сложных форм, способных содержать клетки и формировать ткани. Однако предыдущие попытки с использованием так называемых объемных гидрогелевых биочернил не увенчались успехом: они плохо интегрировались в организм и не поддерживали клетки в объемных конструкциях.

Исследователи из Университета Пенсильвании разработали новый наноинженерный гранулированный гидрогелевый биочернила. В его основе — самоорганизующиеся наночастицы и гидрогелевые микрочастицы (микрогели), что позволило достичь беспрецедентного уровня пористости, точности воспроизведения формы и интеграции клеток.

Работа опубликована в журнале Small и будет представлена на его обложке.

Преодоление ограничений прошлых технологий

До сих пор большинство биочернил были основаны на объемных гидрогелях — полимерных сетках с нанопорами. Эти поры ограничивают клеточно-клеточные взаимодействия, перенос кислорода и питательных веществ. Для инфильтрации и миграции клеток такие гидрогели требуют деградации или ремоделирования, что задерживает интеграцию с тканью.

Основной компромисс при 3D-печати объемными гидрогелями — между точностью формы и жизнеспособностью клеток, которая регулируется жесткостью и пористостью гидрогеля. Повышение жесткости улучшает форму, но снижает пористость, губя клетки.

Гранулированный подход и проблема "заклинивания"

Чтобы решить эту проблему, ученые начали использовать для сборки каркасов микрогели. В отличие от объемных гидрогелей, такие гранулированные структуры позволяют регулировать пористость и отделить жесткость материала от пористости.

Однако оставалась проблема жизнеспособности и миграции клеток. Для сохранения формы в процессе 3D-печати микрогели необходимо плотно упаковывать, что уменьшает пространство между ними (эффект "заклинивания"), снижает пористость и, как следствие, вредит клеткам.

Новое решение: обратимая адгезия с помощью наночастиц

Подход исследователей из Пенсильвании решает проблему "заклинивания", повышая "липкость" микрогелей друг к другу. Микрогели сцепляются за счет интерфейсной самоорганизации наночастиц, адсорбированных на их поверхности. Это устраняет необходимость в плотной упаковке и сохраняет микропоры.

Механизм обратимой адгезии основан на использовании гетерогенно заряженных наночастиц, которые создают динамические связи между неплотно упакованными микрогелями. Эти связи могут формироваться или разрываться при снятии или приложении сдвигового усилия, что позволяет осуществлять 3D-биопечать суспензий микрогелей без их плотной упаковки.

Перспективы и будущие направления

Эта технология может быть расширена на другие гранулированные платформы из синтетических, натуральных или гибридных полимерных микрогелей. Для их сборки могут использоваться аналогичные наночастицы или другие физико-химические методы: обратимое связывание за счет заряда, взаимодействия "гость-хозяин", динамические ковалентные связи.

В дальнейшем исследователи планируют изучить применение нового биочернила для:

• тканевой инженерии и регенерации,
• создания моделей органов, тканей и заболеваний "на чипе",
• прямой (in situ) 3D-биопечати органов.

Работа открывает новые пути в тканевой инженерии и печати функциональных органов, решая одну из ключевых проблем в области 3D-биопечати гранулированными гидрогелями.