Метод на основе ксологографии позволяет печатать живые ткани светом
Исследователи из Технологического университета Эйндховена (TU/e) адаптировали новую световую технику печати — ксологографию — для 3D-печати живых клеток. Эта работа может проложить путь к созданию напечатанных почек и мышечной ткани. Команда впервые использовала метод на основе ксологографии для создания крошечных структур с деталями размером до 20 мкм — примерно с человеческую клетку.
Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.
Исследователь Мигель Диас Кастильо отмечает, что печать органов, таких как сердце или почки, пока остается спекулятивной целью. Однако детальная и сверхбыстрая печать живой ткани в портативном 3D-принтере размером с чемодан — уже реальность.
"Наше исследование — необходимый первый шаг для будущего тканевой инженерии. Сейчас технология может создавать более физиологически релевантные 3D-среды для культивирования клеток, а в долгосрочной перспективе может помочь сделать 3D-печать органов реальностью", — говорит Диас Кастильо.
Печать тканей светом
В основе метода лежит использование пересекающихся световых лучей разной длины волны внутри светочувствительной жидкости. При их пересечении жидкость превращается в твердый детализированный 3D-объект размером с мармеладного мишку менее чем за минуту.
Технология ксологографии была разработана немецким химиком Стефаном Хехтом и физиком Мартином Регели. Четыре года назад Хехт предположил, что её можно использовать для создания сложных биологических структур.
"Четыре года назад компания Xolo искала возможности для продвижения своей технологии в биомедицинские приложения, а моя команда искала прорывную технологию, которая могла бы предложить высокое разрешение, высокую скорость производства и масштабируемость — так что это идеальный союз", — объясняет Диас Кастильо.
Исследователям пришлось преодолеть дополнительные трудности, чтобы адаптировать ксологографию для печати живой ткани. Материалы должны были стать биосовместимыми, а фотоинициаторную систему — недружественную к клеткам — пришлось заменить.
Печать каркасов для выращивания клеток
Исследователь Лена Штёкер напечатала гидрогелевые каркасы, которые можно использовать как временные поддерживающие структуры для выращивания клеток в лаборатории.
"Чтобы успешно вырастить ткань, мы стремимся к тому, чтобы гидрогелевые каркасы содержали элементы, имитирующие естественную среду, например, клеток костного мозга", — говорит Штёкер.
Команде удалось напечатать детализированные каркасы с порами размером от 100 мкм до 1 мм, что может обеспечить снабжение питательными веществами по всему каркасу во время культивирования клеток. Крошечные элементы можно было печатать с разрешением всего 20 мкм.
Настройка свойств 3D-материалов светом
Печать в малом масштабе сама по себе недостаточна для имитации естественной ткани и точного контроля поведения клеток.
"Естественные ткани демонстрируют разнообразие свойств. Например, они более жесткие в одном месте и более гибкие в другом. Существующие техники печатают более однородные объекты", — говорит Штёкер. — "Нам удалось создать материалы, свойства которых мы полностью контролируем в 3D, поэтому мы можем создавать более жесткие и гибкие области там, где это необходимо".
Изменяя интенсивность проецируемого света, исследователи смогли точно контролировать свойства ткани.
Искусственные мышцы
Команде удалось реализовать термочувствительные гидрогели, позволяющие создавать 4D-напечатанные структуры, где четвертое измерение — время.
"Эти материалы могут изменять форму или свойства со временем в ответ на изменения температуры, что позволяет создавать более сложные и функциональные тканевые конструкции", — говорит Диас Кастильо, — "такие как искусственные мышцы, которые могут сгибаться и разгибаться в ответ на небольшие изменения температуры".
Исследователи считают эту публикацию основополагающей. В следующей фазе работы будут улучшены in vitro модели и биопечатные решения для восстановления тканей.