Сваренный лазерной сваркой сахар: сладкий путь к трехмерной печати кровеносных сосудов

Сахарная пудра – специальный ингредиент в рецепте Университета Райса, имитирующий сложные разветвленные кровеносные сосуды в тканях, выращенных в лаборатории.

В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Biomedical Engineering , биоинженеры Райса показали, что они могут поддерживать жизнь плотно упакованных клеток в течение двух недель в относительно больших конструкциях, создавая сложные сети кровеносных сосудов из шаблонов сахара, отпечатанного на трехмерном изображении .

«Одним из самых больших препятствий на пути к разработке клинически значимых тканей является упаковка большой тканевой структуры сотнями миллионов живых клеток», – сказал ведущий автор исследования Ян Кинстлингер, аспирант по биоинженерии в инженерной школе Райса Брауна. «Доставка достаточного количества кислорода и питательных веществ ко всем клеткам в этом большом объеме ткани становится колоссальной проблемой».

Кинстлингер объясняет, что природа решила эту проблему путем эволюции сложных сосудистых сетей, которые переплетаются через наши ткани и органы, образуя узоры, напоминающие ветви деревьев. Сосуды одновременно становятся меньше по толщине, но их количество увеличивается по мере того, как они отходят от центрального ствола, что позволяет кислороду и питательным веществам эффективно доставляться к клеткам по всему телу.

«Разрабатывая новые технологии и материалы, имитирующие естественные сосудистые сети, мы приближаемся к тому моменту, когда можем обеспечить кислородом и питательными веществами достаточное количество клеток для достижения значимой долгосрочной терапевтической функции», – сказал Кинстлингер.

Сахарные шаблоны были напечатаны в трехмерном виде с помощью модифицированного лазерного резака с открытым исходным кодом в лаборатории соавтора исследования Джордана Миллера, доцента биоинженерии в Райс.

Аспирант Ян Кинстлингер готовит систему селективного лазерного спекания в биоинженерной лаборатории Миллера в Университете Райса. Kinstlinger использует систему для 3D-печати шаблонов кровеносных сосудов из сахарной пудры. Шаблоны позволяют биоинженерам создавать ткани, выращенные в лаборатории, с достаточным кровотоком для поддержания плотно упакованных клеток. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса.
«Разработанный нами процесс трехмерной печати похож на приготовление очень точного крем-брюле», – сказал Миллер, чьим первоначальным вдохновением для проекта был замысловатый десерт.

Миллер сказал, что сложные, детализированные структуры стали возможными благодаря селективному лазерному спеканию, процессу трехмерной печати, который сплавляет мельчайшие зерна порошка в твердые трехмерные объекты. В отличие от более распространенной экструзионной 3-D печати, когда расплавленные нити материала осаждаются через сопло, лазерное спекание работает путем мягкого плавления и сплавления небольших участков в уплотненном слое сухого порошка. По его словам, как экструзия, так и лазерное спекание создают трехмерные формы по одному двухмерному слою, но лазерный метод позволяет создавать структуры, которые в противном случае были бы склонны к разрушению при экструзии.

«Существуют определенные архитектуры, такие как нависающие структуры, разветвленные сети и многососудистые сети, с которыми вы действительно не справитесь с экструзионной печатью», – сказал Миллер, который продемонстрировал концепцию создания сахарных шаблонов с помощью трехмерного экструзионного принтера во время своей докторской диссертации. учится в Пенсильванском университете. Миллер начал работу над методом лазерного спекания вскоре после прихода в Райс в 2013 году.

«Селективное лазерное спекание дает нам гораздо больший контроль во всех трех измерениях, позволяя нам легко получать доступ к сложной топологии, сохраняя при этом полезность сахарного материала», – сказал он.

Сахар особенно полезен для создания шаблонов кровеносных сосудов, потому что он прочен в сухом состоянии и быстро растворяется в воде, не повреждая близлежащие клетки. Для изготовления салфеток Kinstlinger использует специальную смесь сахаров для печати шаблонов, а затем заполняет объем вокруг напечатанной сахарной сети смесью клеток в жидком геле. Гель становится полутвердым в течение нескольких минут, а затем сахар растворяется и смывается, оставляя открытый проход для питательных веществ и кислорода.

«Основное преимущество этого подхода – скорость, с которой мы можем создать каждую тканевую структуру», – сказал Кинстлингер. «Мы можем создать одни из самых крупных моделей тканей, которые были продемонстрированы, менее чем за пять минут».

Миллер сказал, что новое исследование отвечает на два важных вопроса: какие сахара можно спекать в согласованные структуры и какие вычислительные алгоритмы могут создавать сложные ветвящиеся архитектуры, имитирующие существующие в природе?

Вычислительный алгоритм, который сгенерировал древовидную сосудистую архитектуру в исследовании, был создан в сотрудничестве с Nervous System, дизайнерской студией, которая использует компьютерное моделирование для создания уникальных произведений искусства, украшений и предметов домашнего обихода, вдохновленных узорами, встречающимися в природе.

«Мы используем алгоритмы, вдохновленные природой, для создания функциональных сетей для тканей», – сказала Джессика Розенкранц, соучредитель и креативный директор Nervous System и соавтор исследования. «Поскольку наш подход является алгоритмическим, можно создавать индивидуальные сети для различных целей».

После создания тканей, сформированных с помощью этих компьютерно сгенерированных сосудистых архитектур, команда продемонстрировала засева эндотелиальных клеток внутри каналов и сосредоточилась на изучении выживания и функции клеток, выросших в окружающей ткани, в том числе клеток печени грызунов, называемых гепатоцитами. Эксперименты с гепатоцитами проводились в сотрудничестве с биоинженером Вашингтонского университета (UW) и соавтором исследования Келли Стивенс, исследовательская группа которой специализируется на изучении тонких клеток, которые, как известно, трудно поддерживать вне тела.

«Этот метод можно использовать с гораздо более широким спектром коктейлей из материалов, чем многие другие технологии биопечати», – сказал Стивенс. «Это делает его невероятно универсальным».

Миллер сказал: «Мы показали, что перфузия через трехмерные сосудистые сети позволяет нам поддерживать эти большие печеночные ткани. Хотя все еще существуют давние проблемы, связанные с поддержанием функции гепатоцитов, способность как генерировать большие объемы ткани, так и поддерживать клетки в этих объемах, чтобы получить достаточно времени, чтобы оценить их функции, – захватывающий шаг вперед ».

услуги нутрициологаАвтор сайта и статей: Наталья Степанова, нутрициолог-психолог, консультант по питанию и коррекции веса. Подробнее обо мне

Я в соц. сетях: Vk, Instagram.

Рейтинг
Еще статьи нутрициолога:
Adblock
detector