3D-биопринтер напечатал ухо сквозь кожу мыши
Лазеры в медицине 11.06.2020 Комментарии к записи 3D-биопринтер напечатал ухо сквозь кожу мыши отключеныУченые создали 3D-биопринтер, который может печатать полимерные формы с живыми клетками сквозь различные ткани, полимеризуя биосовместимую матрицу с помощью инфракрасного света.
Главное преимущество такого принтера — неинвазивность: чтобы напечатать полимерную деталь, необходимо лишь ввести в нужное место раствор-заготовку. В основе технологии лежат двухслойные наноинициаторы — их внутренняя часть поглощает инфракрасный свет и излучает ультрафиолетовый, а внешний слой под действием ультрафиолета запускает полимеризацию. Авторам статьи, опубликованной в журнале Science Advances, удалось напечатать под кожей живой мыши структуру в форме уха, а также заживить закрытую рану с помощью заплатки со стволовыми клетками.
3D-биопринтеры печатают трехмерные конструкции из биосовместимых материалов с живыми клетками, таким образом получают ткани и органы для трансплантации. У этой технологии есть большой потенциал в восстановительной хирургии, однако ее применение ограничено необходимостью инвазивной работы на открытых тканях и травмах. Чтобы открыть доступ к внутренним травмам, необходимо повредить окружающие ткани, поэтому предпочтительны неинвазвные методы; нужны они и в пластической хирургии.
Относительно неинвазивная биопечать возможна при фотополимеризации, когда жидкий материал затвердевает под действием света. Ультрафиолетовый и синий свет используют для печати тканей и органов, однако излучение в этом диапазоне не проникает глубоко в ткани. Альтернативной технологией может стать полимеризация под действием инфракрасного света — он проходит сквозь живые ткани и уже используется для контролируемого высвобождения лекарств, 3D визуализации и оптогенетики.
Ученые из Бельгии, Китая и США под руководством Малин Гоу (Maling Gou) из Сычуаньского университета создали технологию 3D-биопечати на основе фотополимеризации в ближнем инфракрасном диапазоне. Устройство с системой микрозеркал направляет луч лазера сквозь кожу и запускает полимеризацию мономерных биосовместивых чернил в нужной точке. Наноинициаторы реакции собирают из двух слоев: внуренняя часть частиц поглощает инфракрасный свет и испускает его в ультрафиолетовом диапазоне, а наружный слой состоит из фотоинициатора, который поглощает весь ультрафиолет и полимеризует мономеры в гидрогель.
Двухслойные наноинициаторы (шкала нижнего рисунка составляет 50 нанометров, верхнего — 20)
Yuwen Chen et al. / Science Advances, 2020
Для начала с помощью системы напечатали различные гидрогелевые фигуры, в том числе сквозь кожу мыши или мышечную ткань свиньи толщиной 0,5 миллиметра и даже in vivo через кожу живой мыши. В последнем случае перед печатью животным подкожно вводили раствор мономеров, а в течение недели после процедуры оценивали состояние окружающих тканей.
Как напрямую, так и через живые ткани in vitro или in vivo удалось напечатать фигуры разнообразных форм. За неделю гидрогелевая конструкция, напечатанная под кожей мыши, не вызвала повреждения или воспаления окружающих тканей.
Фигуры, созданные с помощью полимеризации ближним инфракрасным светом. Yuwen Chen et al. / Science Advances, 2020
Авторы работы предположили, что технологию можно использовать для восстановления ушной раковины при ее дефектах (врожденных или полученных в результате травмы). Искусственное человеческое ухо с живыми клетками напечатали in vitro, а затем технологию опробовали на мышах. Для воспроизведения правильной формы здоровую копию уха отразили зеркально. Затем в мономерный раствор добавили хондроциты (клетки хряща) и сквозь кожу полимеризовали его в форме уха. Выживаемость клеток оценили через семь дней с помощью флуоресцентного окрашивания живых хондроцитов, а затем структуру такой же формы напечатали под кожей живой мыши.
Процесс создания искусственного уха: форму настоящего уха отображают зеркально, а затем печатают на 3D-биопринтере. Справа — живые хондроциты через неделю после печати
Yuwen Chen et al. / Science Advances, 2020
В культуре внутри искусственного уха через семь дней осталось в живых больше 80 процентов хондроцитов. In vivo же подкожное гидрогелевое ухо сохранило свою форму в течение месяца, а хондроциты выжили в полимерных лакунах и выделяли коллаген.
Наконец, 3D-биопечать применили для залечивания закрытых травм с повреждением мягких тканей. Для этого внутри закрытой раны мышечной ткани напечатали полимерный скелет из раствора со стволовыми клетками жировой ткани. Через 10 дней ученые проанализировали заживление раны и формирование мышечной ткани по сравнению с контрольными животными, травмы которых никак не лечили.
Рана, в которой напечатали подходящую по форме гидрогелевую заплатку со стволовыми клетками, за 10 дней затянулась на 80 процентов, а у контрольных животных — лишь на 40 (p < 0,05). Мышечная ткань у мышей экспериментальной группы восстановилась значительно лучше, чем в контрольной. Авторы работы резюмировали, что после дополнительных исследований созданная ими технология найдет широкое применения в медицине, от исправления дефектов органов до заживления ран.
Рана до печати биогибриной заплатки и через 10 дней после
Yuwen Chen et al. / Science Advances, 2020
3D-биопринтеры работают даже в космосе — такое устройство, которое создали в России и приспособили к работе в невесомости, печатает ткани на Международной космической станции. Про другие «космические» 3D-принтеры мы писали в материале «В космос со своим принтером».
Алиса Бахарева
