Процесс биопечати с высоким разрешением с использованием совершенно новых материалов был разработан в TU Wien (Вена): благодаря специальным «био-чернилам» для 3D-принтера клетки теперь могут быть встроены в 3D-матрицу, напечатанную с точностью до микрометра – при скорость печати один метр в секунду, что на порядки быстрее, чем это было возможно ранее.
Окружающая среда имеет значение
«Поведение клетки в решающей степени зависит от механических, химических и геометрических свойств окружающей среды», – говорит профессор. Александр Овсяников, руководитель исследовательской группы 3D-печати и биотехнологий Института материаловедения и технологий (TU Wien). "Структуры, в которые встроены клетки, должны быть проницаемыми для питательных веществ, чтобы клетки могли выжить и размножаться.
Но также важно, являются ли конструкции жесткими или гибкими, стабильными или разрушаются с течением времени."
Можно сначала создать подходящие структуры, а затем колонизировать их живыми клетками, но этот подход может затруднить размещение клеток глубоко внутри каркаса, и вряд ли возможно добиться таким образом однородного распределения клеток.
Гораздо лучший вариант – встроить живые клетки непосредственно в трехмерную структуру во время ее изготовления – этот метод известен как «биопечать»."
Печать микроскопических 3D-объектов сегодня больше не проблема. Однако использование живых клеток ставит перед наукой совершенно новые задачи: «До сих пор подходящих химических веществ просто не хватало», – говорит Александр Овсяников. "Вам нужны жидкости или гели, которые затвердевают именно там, где вы их освещаете сфокусированным лазерным лучом. Однако эти материалы не должны быть вредными для клеток, и весь процесс должен происходить очень быстро."
Два фотона сразу
Для достижения чрезвычайно высокого разрешения в TU Wien уже много лет используются методы двухфотонной полимеризации. В этом методе используется химическая реакция, которая инициируется только тогда, когда молекула материала одновременно поглощает два фотона лазерного луча. Это возможно только в том случае, если лазерный луч имеет особенно высокую интенсивность.
В этих точках вещество затвердевает, а в остальном остается жидким. Следовательно, этот двухфотонный метод лучше всего подходит для создания очень тонких структур с высокой точностью.
Однако недостатком этих методов с высоким разрешением обычно является то, что они очень медленные – часто в диапазоне микрометров или нескольких миллиметров в секунду. Однако в TU Wien экологически чистые материалы могут обрабатываться со скоростью более одного метра в секунду – решающий шаг вперед. Только если весь процесс может быть завершен в течение нескольких часов, есть хорошие шансы на выживание и дальнейшее развитие клеток.
Многочисленные новые возможности
«Наш метод предоставляет множество возможностей для адаптации среды клеток», – говорит Александр Овсяников.
В зависимости от того, как устроена конструкция, ее можно сделать более жесткой или более мягкой. Возможны даже мелкие непрерывные градиенты.
Таким образом, можно точно определить, как должна выглядеть структура, чтобы обеспечить желаемый тип роста и миграции клеток. Интенсивность лазера также можно использовать для определения того, насколько легко структура будет разрушаться с течением времени.
Овсяников убежден, что это важный шаг вперед в исследованиях клеток: «Используя эти трехмерные каркасы, можно исследовать поведение клеток с недостижимой ранее точностью. Можно изучать распространение болезней, и, если использовать стволовые клетки, таким образом даже можно производить ткани, изготовленные по индивидуальному заказу."
Исследовательский проект представляет собой международное и междисциплинарное сотрудничество, в котором участвовали три разных института Венского технического университета: исследовательская группа Овсяникова отвечала за саму технологию печати, Институт прикладной синтетической химии разработал быстрые и безопасные для клеток фотоинициаторы (вещества, которые инициируют процесс затвердевания при освещении) и Институт легких конструкций и структурной биомеханики проанализировали механические свойства печатных структур.