Волокно

Сердечная мышца, напечатанная на 3D-принтере с помощью чернил, наполненных волокнами

За последнее десятилетие достижения в области 3D-печати открыли перед биоинженерами новые возможности для создания тканей и структур сердца. Их цели включают создание более совершенных платформ in vitro для открытия новых методов лечения болезней сердца, основной причины смерти в Соединенных Штатах, на которую приходится примерно каждая пятая смерть в стране, а также использование 3D-печатных тканей сердца для оценки того, какие методы лечения могут работать лучше всего. у отдельных пациентов. Более отдаленная цель — создание имплантируемых тканей, которые смогут исцелять или заменять дефектные или больные структуры внутри сердца пациента.

В статье, опубликованной в журнале Nature Materials, исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) сообщают о разработке новых гидрогелевых чернил, наполненных желатиновыми волокнами, которые позволяют 3D-печать функционального сердечного желудочка, имитирующего биение сердечного ритма. человеческое сердце. Они обнаружили, что гелевые чернила, наполненные волокнами (FIG), позволяют клеткам сердечной мышцы, напечатанным в форме желудочка, выравниваться и координировать свои сокращения, как в камере сердца человека.

«Люди пытались воспроизвести структуры и функции органов, чтобы проверить безопасность и эффективность лекарств, чтобы предсказать, что может произойти в клинических условиях», — говорит Суджи Чой, научный сотрудник SEAS и первый автор статьи. Но до сих пор одни только методы 3D-печати не смогли достичь физиологически значимого выравнивания кардиомиоцитов — клеток, ответственных за скоординированную передачу электрических сигналов для сокращения сердечной мышцы.

Мы начали этот проект, чтобы устранить некоторые недостатки 3D-печати биологических тканей.

Инновация заключается в добавлении волокон в печатную краску. «Чернила Fig способны течь через печатное сопло, но после печати структура сохраняет свою трехмерную форму», — говорит Чой. «Благодаря этим свойствам я обнаружил, что можно напечатать структуру, похожую на желудочек, и другие сложные трехмерные формы без использования дополнительных вспомогательных материалов или каркасов».

Для создания чернил Fig Чой использовал технологию ротационного струйного прядения, разработанную лабораторией Паркера, которая производит материалы из микроволокна, используя подход, аналогичный способу прядения сладкой ваты. Постдокторант Люк Маккуин, соавтор статьи, предложил идею о том, что волокна, созданные методом ротационного струйного прядения, можно добавлять в чернила и печатать на 3D-принтере.

«Когда Люк разработал эту концепцию, его целью было расширить диапазон пространственных масштабов, которые можно было напечатать на 3D-принтерах, исключив нижнюю границу нижних пределов и сведя ее к нанометровому масштабу», — говорит Паркер. «Преимущество производства волокон ротационным струйным прядением, а не электропрядением» — более традиционным методом создания ультратонких волокон — «в том, что мы можем использовать белки, которые в противном случае разлагались бы под действием электрических полей при электропрядении».

Используя вращающуюся струю для прядения желатиновых волокон, Чой создал лист материала, внешне напоминающий хлопок. Затем она использовала ультразвуковую обработку — звуковые волны — чтобы разбить этот лист на волокна длиной от 80 до 100 микрометров и диаметром от 5 до 10 микрометров. Затем она распределила эти волокна в гидрогелевых чернилах.

Эта концепция широко применима: мы можем использовать нашу технику прядения волокон для надежного производства волокон нужной длины и формы.

Самым сложным аспектом было определение желаемого соотношения волокон и гидрогеля в чернилах для поддержания выравнивания волокон и общей целостности 3D-печатной структуры.

Когда Чой печатал 2D- и 3D-структуры с помощью чернил Fig, кардиомиоциты выстраивались в линию в соответствии с направлением волокон внутри чернил. Контролируя направление печати, Чой мог контролировать выравнивание клеток сердечной мышцы.

Когда она применила электрическую стимуляцию к 3D-печатным структурам, созданным с помощью чернил Fig, она обнаружила, что это вызвало скоординированную волну сокращений, соответствующую направлению этих волокон. В конструкции в форме желудочка «было очень интересно видеть, как камера на самом деле работает так же, как работают желудочки настоящего сердца», — говорит Чой.