«Биопечать» сердца на обычном трехмерном принтере

Только в октябре 2015 г. более 4000 американцев состояли в списке лиц, ожидающих пересадку сердца. Трансплантация сердца – единственный метод лечения людей, страдающих декомпенсированной сердечной недостаточностью, поскольку ткань сердца, в отличие от других тканей организма, не способна к самовосстановлению после повреждения. Результаты нового исследования, полученные научной группой из Университета Карнеги Меллон (University Carnegie Mellon, США), приближают наступление того момента, когда для восстановления поврежденных органов не будут нужны человеческие трансплантаты. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

«Мы получили МРТ изображения коронарных артерий и трехмерные изображения эмбриональных сердец, а затем сделали трехмерную биопечать этих объектов с беспрецедентным разрешением и качеством, которое связано с использованием очень мягких материалов, таких, как коллагены, альгинаты и фибрины», – говорит Адам Файнберг (Adam Feinberg), доцент материаловедения, инженерии и биомедицинской инженерии в Университете Карнеги Меллона. Файнберг возглавляет исследовательскую группу, изучающую регенеративные биоматериалы и терапевтические методы (Regenerative Biomaterials and Therapeutics Group).

Традиционные трехмерные принтеры печатают твердые объекты, как правило, из пластика или металла, и механизм их работы основан на отложении материала на поверхности объекта слой за слоем, что в результате позволяет получить трехмерный объект. Печать каждого последующего слоя требует твердой поддержки из нижележащих слоев, поэтому печать с использованием мягких материалов, как, например, гели, была ограничена.

«Трехмерная печать различных материалов – общая тенденция в тканевой инженерии в последнее десятилетие, но до сих пор никто не разработал метод сборки обычных тканеинженерных гелей, например, коллагена или фибрина», – говорит ТиДжей Хинтон (TJ Hinton), аспирант в области биомедицинской инженерии из Университета Карнеги Меллон, ведущий автор исследования.

По словам Файнберга, трудность биологической печати мягких материалов заключается в том, что они, наподобие джема или желе, могут разрушаться под действием собственного веса в момент трехмерной печати в воздухе. «Мы разработали метод печати мягких материалов внутри материала подложки-кюветы. По сути мы печатаем один гель внутри другого геля, что позволяет нам точно позиционировать мягкий материал по мере того как объект печатается слой за слоем», – говорит ученый.

Одним из главных преимуществ нового метода, названного FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels), является то, что поддерживающий гель можно легко расплавить и удалить при нагревании до температуры тела, которая не повреждает нежные биологические молекулы или живые клетки, напечатанные биологическим методом. Сейчас научная группа работает в направлении включения живых клеток сердца в трехмерные печатные тканевые структуры, что должно привести к созданию подложки, которая поможет сформировать сокращающуюся мышцу.

Биопечать – молодая развивающаяся отрасль, но на сегодняшний день большинство трехмерных биопринтеров стоит более 100 тыс. долларов США и/или требуют опыта работы с ними, что ограничивает широкое распространение технологии. Однако исследовательская команда Файнберга провела исследования на трехмерном принтере потребительского уровня, стоимость которого меньше одной тысячи долларов США, используя оборудование и программное обеспечение с открытым доступом.

«Не только стоимость биопечати низкая, но и с помощью программного обеспечения с открытым доступом мы можем настроить параметры печати, можем обеспечить наибольшую эффективность того, что мы делаем, и получить наилучшее качество печати. Это позволило нам ускорить разработку новых материалов и совершить инновацию в этой области. Мы также внесли свой вклад в общее дело, открыв свободный доступ к лицензированному нами дизайну трехмерного принтера», – комментирует Файнберг.

На фотографии изображен каркас коронарной артерии, полученный методом трехмерной биопечати объектов. (фото: Carnegie Mellon University College of Engineering)

По материалам Carnegie Mellon University

Оригинальная статья:
T. J. Hinton, Q. Jallerat, R. N. Palchesko, J. H. Park, M. S. Grodzicki, H.-J. Shue, M. H. Ramadan, A. R. Hudson, A. W. Feinberg. Three-dimensional printing of complex biological structures by freeform reversible embedding of suspended hydrogels. Science Advances, 2015; 1 (9): e1500758 DOI: 10.1126/sciadv.1500758