Использование коллоидных нанодисков для 3D-биопечати тканей и тканевых моделей
Экструзионная 3D-печать биологических объектов, или "биопечать", — многообещающий подход для создания персонализированных тканеинженерных имплантатов. Однако ключевая проблема заключается в том, что большинство используемых материалов не обладают универсальностью для широкого спектра применений.
Исследователи из Техасского университета A&M разработали новую нанотехнологию, использующую коллоидные взаимодействия наночастиц для печати сложных структур, способных имитировать строение тканей и органов. Команда под руководством доктора Ахилеша Гахара, доцента и стипендиата Presidential Impact в Департаменте биомедицинской инженерии, представила коллоидные растворы 2D наносиликатов в качестве платформенной технологии для печати сложных структур.
2D наносиликаты — это дискообразные неорганические наночастицы диаметром 20–50 нанометров и толщиной 1–2 нанометра. Выше определенной концентрации в воде эти наносиликаты образуют структуру "карточного домика", известную как коллоидный раствор.
Такие коллоидные растворы обладают ценными реологическими свойствами: повышенной вязкостью и пределом текучести, а также проявляют псевдопластичность (снижение вязкости при сдвиговой деформации) и тиксотропию (способность разжижаться под механическим воздействием и восстанавливаться в покое). Лаборатория Гахара использует эти свойства для экструзионной 3D-печати.
Результаты исследования опубликованы в журнале Bioprinting.
Основные проблемы экструзионной 3D-печати — невозможность печати высоких и сложных структур, так как мягкие материалы растекаются под действием силы тяжести. Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи использовали коллоидные наносиликаты и продемонстрировали их как платформенную технологию для биопечати тремя разными способами.
Псевдопластичные чернила. Сатьям Раджпут, аспирант по биомедицинской инженерии и ведущий автор статьи, разработал чернила на основе наносиликатов и водорастворимых полимеров (агароза, альгинат, каппа-каррагинан, желатин, желатин-метакрилоил, полиэтиленгликоль, N-изопропилакриламид). Формулировка показала хорошую сохранность формы после печати.
Жертвенные чернила. Команда использовала наносиликаты в качестве "жертвенных" чернил (которые удаляются после печати) для создания микрофлюидных устройств для моделирования заболеваний in vitro. Эти перфузируемые устройства можно применять для изучения сосудистой физиологии, моделей болезней, тканевой организации, 3D-культур клеток и скрининга лекарств.
Поддерживающая ванна. Исследователи использовали гель коллоидных наносиликатов в качестве поддерживающей ванны для 3D-печати, которая нивелирует силы поверхностного натяжения и гравитации. Внутри такой ванны были напечатаны сложные структуры: раздвоенный сосуд, бедренная кость, мениск, двойная спираль ДНК, сердце и трехстворчатый клапан.
"Универсальность наносиликатов может найти широкое применение в областях аддитивного производства, тканевой инженерии, доставки лекарств и медицинских устройств", — заявил Гахавар.