Сладкая биоинженерия: новый 3D-принтер печатает сахарную основу для искусственных органов

Печать свободной формы позволяет создавать сложные структуры, например, как эта модель сердца.
Фото Travis Ross, Beckman Institute.

Инженеры Университета Иллинойса разработали новый принтер для трёхмерной печати, который создаёт по-настоящему сладкие объекты, правда, не предназначенные для употребления в пищу.

Речь идёт о водорастворимых биоразлагаемых структурах, которые печатаются, в отличие от обычных трёхмерных объектов, не послойно, а формируются в тончайшую сеть из "нитей" изомальтита. Такой материал синтезируется из сахарозы и представляет собой бесцветные, сладкие на вкус кристаллы.

Поясним, что в природе изомальтит встречается в сахарном тростнике, свёкле и мёде. Его кристаллы широко используются в пищевой промышленности для придания продуктам объёма, обеспечения нужной структуры и средней сладости. Изготовление мороженого, шоколада, карамели, грильяжа и других лакомств сегодня не обходится без изомальтита.

Однако у этого соединения есть и другие сферы применения. Кристаллы изомальтита могут успешно применяться в биомедицинской инженерии.

В частности, команда американских исследователей предлагает создавать из такого материала скаффолды ("строительные леса"), которые станут основой для биоинженерных объектов.

Основное преимущество материала заключается в том, что он не только прочный, но и легко растворимый. К примеру, на матрице из изомальтита можно сформировать из тканей и клеток сердце, печень или другой орган, а затем растворить её без следа. Полученные же ткани к тому времени уже смогут держать форму.

Профессор биоинженерии и один из ведущих авторов работы Рохит Бхаргава (Rohit Bhargava) отмечает, что новая технология также открывает уникальные возможности для исследования злокачественных опухолей. Когда культуры раковых клеток выращивают в лаборатории, ткани получаются плоскими, и это мешает изучать некоторые характеристики. Теперь же у специалистов появится возможность взглянуть на искусственно созданную трёхмерную опухоль и понять, как она фактически развивается в теле человека, какую форму принимает и как функционирует. Последние два показателя тесно связаны, поясняет профессор.

Его команда применяла механику печати свободной формы. По мере того как сопло принтера перемещается в пространстве, расплавленный материал затвердевает, формируя прочную структуру. И главное, что она может быть абсолютно любой формы.

Учёные рассмотрели и другие типы "сахарной" печати, но оказалось, что лишь изомальтит отвечает всем требованиям. В других случаях были проблемы либо с кристаллизацией, либо с растворением материалов, рассказывает другой ведущий автор исследования Мэтью Гелбер (Matthew Gelber).

Для работы со сладким соединением команда сконструировала особый 3D-принтер с нужными технологическими и механическими характеристиками. В частности, необходимо было откалибровать диаметр сопла, скорость печати, а также чётко настроить показатели температуры и давления.

Далее к работе подключились специалисты из компании Wolfram Research, которая занимается производством математического программного обеспечения.

"У вас есть дизайн того, что вы хотите получить, но как вы скажете принтеру, чтобы он это сделал? Как вы определите последовательность печати всех этих пересекающихся нитей, чтобы она (конструкция – прим.ред.) не рушилась?", — рассуждает Гелбер.

Поэтому следующим этапом работы стало создание алгоритма для проектирования конечных конструкций и подбора параметров печати.

 

В результате команда получила принтер, который способен создавать конструкции свободной формы из тонких нитей-стержней с круглыми поперечными сечениями.

Когда изомальтит растворяется, остаётся готовый орган, пронизанный сетью "тоннелей", которые могут взять на себя роль кровеносных сосудов для транспортировки питательных веществ в ткани либо роль каналов в микрожидкостных системах (например, "органах-на-чипе").

Немаловажно, что технология позволяет контролировать механические свойства каждой из частей общей конструкции. Для этого нужно внести соответствующие изменения в параметры печати.

"Например, мы напечатали кролика. В принципе, мы могли бы изменить механические свойства его хвоста, чтобы он отличался от задней части или от ушей. Это очень важно в биологическом плане", — поясняет Бхаргава. При использовании классической полимерной печати добиться такого эффекта невозможно: параметры нанесения материала и механические свойства итогового объекта очень сложно изменить, продолжает учёный.

Теперь его команда изучает микрофлюидные свойства систем и проводит тесты с культурами клеток, чтобы понять, как быстро сахарные скаффолды могут растворяться.

Кроме того, исследователи также планируют разработать специальные покрытия, похожие на оболочки таблеток, которые помогут контролировать процесс растворения структур.

Технология создания прототипа 3D-принтера для работы с изомальтитом подробно описана в статье, опубликованной в издании Additive Manufacturing. Инженеры надеются, что их работа пригодится другим исследователям для производства нового поколения принтеров и изучения различных приложений "сладкой" печати.

Напомним, что об изготовлении жизнеспособных частей тела с помощью 3D-печати мы ранее подробно рассказывали. Эта сфера биоинженерии развивается очень бурно. Так, напечатанные на 3D-принтере яичники уже позволили получить здоровое потомство.

Между тем в России был создан уникальный биопринтер для лазерной печати живыми клетками. Напечатанная на нём щитовидная железа функционирует не хуже настоящей.

Сегодня