Эти чернила, полученные из пыльцы, способны сохранять свою форму при нанесении на поверхность, что делает их жизнеспособной альтернативой нынешним чернилам, используемым для 3D-печати в биомедицинской области (также известной как биопечать). Такие чернила обычно мягкие и нежные, что затрудняет сохранение желаемой трехмерной формы и структуры конечного продукта, поскольку биопринтер наносит чернила слой за слоем.
Чтобы проиллюстрировать функциональность своих чернил для 3D-печати на основе пыльцы, сингапурские ученые NTU напечатали «каркас» биологической ткани, который в лабораторных исследованиях показал, что он подходит для адгезии и роста клеток, которые необходимы для регенерации тканей.
Это новое использование пыльцы, описанное в научной статье, которая была на обложке научного журнала Advanced Functional Materials, подчеркивает ее потенциал в качестве устойчивого альтернативного материала существующим чернилам для биопечати, заявила исследовательская группа.
Со-ведущий автор исследования профессор Чо Нам-Джун из Школы материаловедения и инженерии НТУ сказал: «Биопечать может быть сложной задачей, потому что материал используемых чернил, как правило, слишком мягкий, что означает, что структура предполагаемого продукта может разрушиться во время печать. Настроив механические свойства пыльцы подсолнечника, мы разработали гибридные чернила на основе пыльцы, которые можно использовать для печати структур с хорошей структурной целостностью.
Использование пыльцы для 3D-печати является значительным достижением, поскольку процесс создания чернил на основе пыльцы является экологически безопасным и доступным. Учитывая, что существует множество типов видов пыльцы с различными размерами, формами и свойствами поверхности, суспензии микрогелей пыльцы потенциально могут быть использованы для создания нового класса экологически чистых материалов для 3D-печати."
Со-ведущий автор исследования доцент Сон Джуха из Школы химической и биомедицинской инженерии НТУ сказал: «Наши открытия могут открыть новые двери для индивидуальных гибких мембран, которые точно соответствуют контурам человеческой кожи, таких как повязки на раны или маски для лица. Такие мягкие и гибкие мембраны обычно изготавливаются на основе плоской геометрии, что приводит к таким проблемам, как трещины в слоях или плохая посадка при нанесении на большие участки кожи, такие как лицо или участки, которые часто видят движения, такие как суставы.
Используя наши чернила для 3D-печати на основе пыльцы, которые являются биосовместимыми, гибкими и недорогими, мы можем изготавливать мембраны, адаптированные к контурам человеческой кожи и способные изгибаться, не ломаясь."
В исследовательскую группу также входят доцент Чан Тэсик из Университета Чосун в Южной Корее.
Профессор Пол С. Вайс, заслуженный профессор химии и биохимии, биоинженерии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не участвовал в исследовании, сказал: «Пыльца – это увлекательный и устойчивый бионаноматериал с множеством применений. Сонг, Чо и их команды теперь добавили его в арсенал того, что можно структурировать в более крупных масштабах с помощью аддитивного производства, 3D-печати, включив его в чернила."
Д-р Джеффри С. Гленн, директор Центра инженерии гепатита и ткани печени в Стэнфордской медицине, который не принимал участия в исследовании, добавил: «Это очень захватывающий документ, который демонстрирует способность 3D-печати индивидуальных структур для производства и доставки лекарств с устойчивой , дешевый и нетоксичный материал."
Как создаются гибридные чернила на основе пыльцы
На сегодняшний день наиболее широко используемым методом биопечати является биопечать на основе экструзии, при которой чернила непрерывно распределяются из сопел и наносятся по определенным цифровым каналам для создания трехмерных структур слой за слоем.
Одной из проблем этого метода является сложность сохранения трехмерных структур и форм мягких деликатных материалов, таких как гидрогели, клетки и биополимеры, без дополнительной поддержки. Обычно используется структура, называемая поддерживающей матрицей, внутри которой мягкие чернила наносятся во время процесса печати. Однако это приводит к отходам, поскольку поддерживающая матрица становится непригодной для использования после печати.
Ассист проф.
Сонг сказал: «Предыдущие исследовательские усилия были сосредоточены на разработке специальных биочернил для эффективного осаждения и пригодности для печати путем смешивания гидрогелей с волокнами или частицами. Основным недостатком таких гидрогелевых композитных красок является засорение сопел, что является более серьезной проблемой для красок с более высоким содержанием таких волокон или частиц. Разработанные нами гибридные чернила на основе пыльцы, напротив, обладают достаточной механической прочностью, чтобы сохранять свою структуру без заедания принтера."
Процесс разработки гибридных чернил на основе пыльцы начинается с инкубации жесткой пыльцы подсолнечника в щелочном растворе – экологически чистый процесс, аналогичный производству мыла – в течение шести часов с образованием частиц микрогеля пыльцы.
Затем микрогель пыльцы смешивают с гидрогелями, такими как альгинат, природный полимер, обычно получаемый из бурых морских водорослей, или гиалуроновую кислоту, прозрачное липкое вещество, естественным образом вырабатываемое организмом, с образованием конечных гибридных чернил пыльцы и гидрогеля.
Каркас на основе пыльцы для культивирования клеток и доставки лекарств
В качестве доказательства концепции ученые напечатали пятислойный каркас тканевой инженерии, полезный для культивирования клеток, за 12 минут. Затем к каркасу был добавлен коллаген, чтобы обеспечить точки привязки, к которым клетки могут прикрепляться и расти.
Затем ученые высевали человеческие клетки на каркас и обнаружили, что эффективность посева клеток составляет от 96 до 97 процентов. Это сопоставимо по характеристикам с гидрогелями с инвертированными коллоидными кристаллами (ICC), которые широко используются в качестве платформ для трехмерных культур клеток, но которые требуют времени и трудозатрат для изготовления.
Учитывая, что пыльца реагирует на изменения pH – когда среда становится кислой или щелочной – команда NTU также проверила жизнеспособность 3D-каркаса как системы доставки лекарств, реагирующей на раздражители. Когда на каркас капали флуоресцентный красный краситель, ученые обнаружили, что частицы микрогеля пыльцы постепенно высвобождали краситель в каркас. Количество и скорость высвобождения увеличиваются при добавлении кислоты. Это показывает, что есть потенциал для использования каркаса пыльцы в качестве системы доставки лекарств с контролируемым высвобождением, говорят ученые.
Профессор Чо сказал: «Частицы пыльцевого микрогеля имеют структуру полой оболочки, что означает, что они потенциально могут использоваться для переноса лекарств, клеток или биомолекул на платформах доставки лекарств с индивидуализированной трехмерной структурой. Теперь мы изучаем, как мы можем использовать эти микрогелевые каркасы пыльцы для платформ трехмерных культур клеток в различных биомедицинских приложениях.
"Каркас на основе пыльцы также может быть использован в качестве разумного носителя лекарств, учитывая чувствительность пыльцы к стимулам.
Например, мы можем дополнительно замедлить высвобождение лекарств, покрыв каркас на основе пыльцы тонким слоем альгината, и стимулировать высвобождение путем введения кислоты."
Несущая структура на основе пыльцы для мягких красок для 3D-печати
Ученые также обнаружили, что мягкие и гибкие частицы микрогеля пыльцы, полученные из твердых частиц пыльцы, потенциально могут служить в качестве перерабатываемой поддерживающей матрицы для использования в трехмерной печати произвольной формы, в которой наносятся мягкие чернила.
Опорная матрица предотвращает разрушение печатной структуры при застывании чернил.
Чтобы проверить осуществимость своего подхода, ученые изготовили трехмерную печатную сетку из силиконовой резины для локтя, используя микрогель пыльцы в качестве опоры, которая сохраняла бы форму локтевой сетки во время печати.
После отверждения печатного продукта при 75 ° C (167 ° F) в течение 24 часов внутри микрогеля пыльцы ученые обнаружили, что напечатанная трехмерная сетка из силиконового каучука может адаптироваться к искривлению локтя человека.
Они также обнаружили, что механические свойства образцов силиконового каучука, напечатанных и отвержденных в поддерживающей матрице микрогеля пыльцы, были аналогичны свойствам образцов, изготовленных традиционным методом литья.
Использование пыльцы в биомедицине основано на работе исследовательской группы NTU по переработке пыльцевых зерен, природного возобновляемого ресурса, в строительный блок для различных экологически чистых альтернативных материалов, от экологически чистой бумаги до биоразлагаемых губок, способных впитывать воду. вверх загрязнители нефти.
Это исследование согласуется с исследовательскими амбициями НТУ в его стратегическом плане на 2025 год, направленным на превращение изобретений и творчества в результаты, которые увеличивают экономические выгоды и качество жизни.
Теперь команда стремится к сотрудничеству с промышленностью, чтобы усовершенствовать свои инновации в области 3D-печати и продвинуть ее коммерческое использование.