Новая область тканевой инженерии направлена на использование естественной способности человеческого тела к самовосстановлению, к восстановлению костей и мышц, утраченных из-за опухолей или травм.
Ключевым направлением деятельности биомедицинских инженеров было проектирование и разработка 3D-печатных каркасов, которые можно имплантировать в тело для поддержки повторного роста клеток.
Но сделать эти структуры достаточно маленькими и сложными, чтобы клетки могли нормально развиваться, остается серьезной проблемой.
Присоединяйтесь к исследовательской группе под руководством Университета RMIT, сотрудничающей с клиницистами больницы Святого Винсента в Мельбурне, Австралия, которые отказались от традиционного подхода к 3D-печати.
Вместо того, чтобы напрямую делать биоскаффолды, команда напечатала на 3D-принтере формы с полостями с замысловатым рисунком, а затем заполнила их биосовместимыми материалами, а затем растворила формы.
Используя непрямой подход, команда создала биопокрышки размером с ноготь, полные сложных структур, которые до сих пор считались невозможными для стандартных 3D-принтеров.
Ведущий исследователь д-р Катал О’Коннелл сказал, что новый метод биопроизводства был рентабельным и легко масштабируемым, поскольку он опирался на широко доступные технологии.
«Формы, которые вы можете создать с помощью стандартного 3D-принтера, ограничены размером печатающего сопла – отверстие должно быть достаточно большим, чтобы пропускать материал, и, в конечном итоге, это влияет на то, насколько маленьким вы сможете печатать», – О’Коннелл, вице-президент. – научный сотрудник канцлера RMIT, – сказал.
"Но промежутки между печатными материалами могут быть намного меньше и более сложными.
"Перевернув наше мышление, мы по сути рисуем желаемую структуру в пустом пространстве внутри нашей 3D-печатной формы. Это позволяет нам создавать крошечные сложные микроструктуры, в которых клетки будут процветать."
Универсальная техника
О’Коннелл сказал, что другие подходы позволяют создавать впечатляющие структуры, но только с использованием специально подобранных материалов, настроенных с помощью определенных добавок или модифицированных с помощью специального химического состава.
«Важно отметить, что наша методика достаточно универсальна, чтобы использовать готовые медицинские материалы», – сказал он.
«Это невероятно – создавать такие сложные формы с помощью обычного 3D-принтера для средней школы.
"Это действительно снижает планку для входа в эту область и приближает нас к значительному шагу к превращению тканевой инженерии в медицинскую реальность."
Исследование, опубликованное в Advanced Materials Technologies, было проведено в BioFab3D @ ACMD, современном центре биоинженерных исследований, образования и обучения, расположенном в больнице Святого Винсента в Мельбурне.
Соавтор, адъюнкт-профессор Клаудиа Ди Белла, хирург-ортопед в больнице Святого Винсента в Мельбурне, сказала, что исследование демонстрирует возможности, которые открываются, когда клиницисты, инженеры и ученые-биомедики объединяются для решения клинической проблемы.
«Общей проблемой, с которой сталкиваются врачи, является невозможность доступа к технологическим экспериментальным решениям проблем, с которыми они сталкиваются ежедневно», – сказал Ди Белла.
"В то время как клиницист – лучший профессионал в распознавании проблемы и обдумывании возможных решений, биомедицинские инженеры могут воплотить эту идею в жизнь.
"Изучение того, как говорить на одном языке в инженерии и медицине, часто является начальным препятствием, но как только оно будет преодолено, возможности безграничны."
Инструментарий будущего лечения
В настоящее время существует несколько вариантов лечения для людей, которые теряют значительное количество костей или тканей из-за болезни или травмы, делая ампутации или металлические имплантаты, чтобы заполнить пробел.
Несмотря на то, что в мире было проведено несколько клинических испытаний тканевой инженерии, необходимо решить ключевые проблемы биоинженерии, чтобы технология трехмерной биопечати стала стандартной частью инструментария хирурга.
В ортопедии основным камнем преткновения является разработка биологической оболочки, которая действует как на кости, так и на хрящи.
«Наш новый метод настолько точен, что мы создаем специализированные микроструктуры для роста костей и хрящей в едином биополе», – сказал О’Коннелл.
"Это хирургический идеал – один интегрированный каркас, который может поддерживать оба типа клеток, чтобы лучше воспроизводить то, как работает организм."
Тесты на человеческих клетках показали, что биокаффолды, построенные с использованием нового метода, безопасны и нетоксичны.
Следующими шагами исследователей будут испытания дизайна для оптимизации регенерации клеток и изучение влияния различных комбинаций биосовместимых материалов на повторный рост клеток.
Пошаговая инструкция: как распечатать биокаффолд в обратном направлении
Новый метод, который исследователи назвали 3D-печатью с использованием отрицательного воплощенного жертвенного шаблона (NEST3D), использует простой клей ПВА в качестве основы для 3D-печатной формы.
После того, как биосовместимый материал, введенный в форму, застынет, всю структуру помещают в воду для растворения клея, оставляя только биологический каркас, питающий клетки.
Первый автор исследования, доктор философии Стефани Дойл, сказала, что этот метод позволяет исследователям быстро тестировать комбинации материалов, чтобы определить те, которые наиболее эффективны для роста клеток.
«Преимущество нашей передовой технологии литья под давлением заключается в ее универсальности», – сказал Дойл.
«Мы можем изготовить десятки пробных биологических каркасов из различных материалов – от биоразлагаемых полимеров до гидрогелей, силиконов и керамики – без необходимости тщательной оптимизации или специального оборудования.
«Мы можем производить трехмерные структуры, которые могут иметь размер всего 200 микрон, ширину 4 человеческих волоса и сложность, которая не уступает по сложности, достижимой с помощью методов изготовления на основе света.
"Это может стать мощным ускорителем исследований в области биотехнологии и тканевой инженерии."
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = m9kcvTG6XLI