print

Использование биоплоттера Envisiontec для 3D печати скаффолдов хрящевой ткани барабанной перепонки

15/02/2016

Дирборн (Миссури, США) и Маастрихт (Нидерланды) — Продолжаются исследования потенциала 3D-Bioplotter - самой универсальной системы для биопечати. Очередным огромным достижением в этом направлении стала разработка матрицы-скаффолда для барабанной перепонки. Сделан еще один важный шаг на пути к биопечати сложных хрящевых структур для имплантации — технология уже близка к практическому применению.

При всей сложности биологических структур человеческого тела стоит отметить, что немногие из них могут сравниться по тонкости и уникальности функций с нашей барабанной перепонкой. Это подвигло Лоренцо Морони и его коллег по Институту технологий регенеративной медицины MERL при Университете Маастрихта к изучению возможностей биопечати на наиболее передовом оборудовании для этих задач — принтере 3D-Bioplotter производства компании EnvisionTEC.

Барабанная перепонка представляет собой тонкую мембрану, которая улавливает колебания воздуха и преобразует их в электрические сигналы, воспринимаемые нашим мозгом как звуки. Нарушения в работе этой чувствительной структуры приводят к полной потере слуха. Возможность воспроизводить барабанную перепонку способна оказать серьезное влияние на развитие регенеративной медицины.  Но задача это крайне сложная — и не только из-за миниатюрных размеров (диаметр мембраны составляет 15 мм при толщине всего 100 мкм). В структуре задействовано несколько типов тканей: молоточек состоит из костной ткани, сама мембрана включает эпителий и невральные элементы. Соответственно, восстанавливать необходимо как структуру барабанной перепонки, так и взаимодействие с нервной системой.

3D биоплоттер Envisiontec

Сейчас в центре внимания Лоренцо и его коллег вопросы 3D-печати трехмерных матриц-скаффолдов для поддержки клеточного материала. Из двух универсальных медицинских сополимеров, одобренных FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США) двумя способами были изготовлены матрицы. В первом варианте задействовали метод электроформования волокон (ES): тонкие волокна (в данном случае сополимера молочной и гликолевой кислот PLGA) получили из жидкости с помощью электростатического разряда и сформировали из них «волоконную подушку». Во втором варианте технологию электроформования волокон дополнили 3D-печатью, чтобы создать трехмерные структуры из других сополимеров.

«Мы печатаем трехмерные матрицы-скаффолды на принтере EnvisionTEC 3D-Bioplotter, — объясняет Морони. — Используем полимерные материалы — биоразлагаемые и биосовместимые. Наша задача — обеспечить нужные структурные свойства матрицы, учитывая, что ей придется взаимодействовать со стволовыми клетками и, образно говоря, «склонять их» к определенным действиям. В данном случае мы хотим, чтобы клетки дифференцировали в клетки костной ткани уха либо же в хондроциты барабанной перепонки. Этого можно добиться, в том числе, путем варьирования размеров пор матрицы, от которых зависит концентрация питательных веществ для клеток».

Биопечать барабанной перепонки дополнительно осложняется тем, что ее ткань состоит преимущественно из коллагена. Механические свойства коллагена крайне сложно имитировать и воспроизводить с точностью, достаточной для того, чтобы молоточек распространял звуки в частотах, характерных для естественной структуры. Чтобы понять, как упорядочить волокна коллагена, выстроив стволовые клетки в определенном порядке и обеспечив нужные акустические свойства, специалисты Морони активно сотрудничали с больницей города Пиза.

Матрицу, позволяющую выполнить эту задачу, необходимо импланировать вместе с мембраной. Постепенно растворяясь, она будет поглощена вновь формируемыми клетками. В данном случае материал экструдируется в форме пасты с термопластическими свойствами: в горячем виде он более текуч, а остывая, постепенно твердеет. Морони и его коллеги одними из первых модифицировали биоплоттер EnvisionTEC под экструзию пластиков.

К таким пластикам относятся в частности поли(ε-капролактон) (PCL) и полимолочная кислота (PLA). Однако в последнее время наибольшее распространение получает полимер с названием полиактив (polyactive, PA). Исследователи анонсируют и другие сополимеры и перспективные материалы, включая полиметилкарбонат, созданный специально для печати мягких тканей. Ассортимент доступных матералов постоянно растет, и это не случайность. Так, например, уже есть линейка полиуретанов, являющихся одновременно биосовместимыми и биоразлагаемыми. Такие материалы открывают массу новых возможностей по разработке матриц для будущих задач биопечати.

Это не единственный проект под руководством Лоренцо Морони. Сейчас он также работает над печатью панкреатических и нейроваскулярных тканей (объединяющих капиллярные и нейронные структуры), но подробности пока неизвестны. На предстоящей конференции Biofabrication 2016 компания EnvisionTEC представит свои новейшие продукты и интереснейшие разработки для развивающегося сегмента биопечати.

Перевод Олеси Зайцевой

Карта сайта