Исследователи из Университета Нотр-Дам успешно напечатали на 3D-принтере сети кровеносных капилляров, используя удивительную методику. Прежде чем рассматривать их метод, стоит понять, почему 3D-печать сетей кровеносных капилляров вообще важна. Только в Соединенных Штатах более 100 000 человек ожидают трансплантации органов, и донорских органов по-прежнему не хватает. Если бы мы могли печатать органы на 3D-принтере из собственных клеток пациента, это не только решило бы проблему нехватки органов, но и потенциально полностью исключило бы риск отторжения органа организмом.

Именно поэтому исследователи десятилетиями работают над созданием органов методом 3D-печати . ​​Однако одной из главных задач является воспроизведение масштаба и сложности сосудистой сети организма, особенно капилляров. Сеть кровеносных капилляров представляет собой переплетающуюся сеть мельчайших кровеносных сосудов организма. Эти микроскопические трубки доставляют кислород и питательные вещества к клеткам и удаляют продукты жизнедеятельности, что делает их необходимым компонентом любой биопечатной модели ткани.

(Слева) Капилляры, визуализированные с помощью флуоресцентной микроскопии, появились на обложке журнала Nature Chemical Engineering. (Справа) Яньлян Чжан и Юйсюань Ляо, аспирант и ведущий автор исследования. (Фото Уэса Эварда / Инженерный колледж Нотр-Дам)

«Печать кровеносных сосудов, имитирующих естественные живые системы, представляет собой очень сложную задачу, поскольку сосуды различаются по размеру», — говорит Яньлян Чжан, профессор кафедры аэрокосмической и машиностроительной инженерии, специализирующийся на передовых материалах и производстве. «Точное создание самых маленьких сосудов без потери масштабируемости и структурной целостности остается одной из самых больших проблем современной биопечати » .

Сочетание двух методов 3D-печати

Для печати сосудистых сетей, содержащих капилляры диаметром менее 10 микрометров (меньше, чем тончайший человеческий волос!), команда использует две технологии, каждая из которых отвечает за отдельные компоненты. Во-первых, матрица — мягкий гелеобразный каркас, имитирующий настоящую ткань, — печатается методом экструзии, при котором под давлением биоматериалы наносятся слой за слоем. После печати участка матрицы в нее методом аэрозольной струйной печати (AJP) вводятся тонкие нити желатина , которые затем удаляются, оставляя каналы внутри матрицы. Метод AJP обеспечивает аэродинамическую фокусировку с помощью обтекающего потока, что позволяет точно регулировать размер каналов. Диапазон размеров значителен: желатиновые нити могут иметь диаметр от сотен микрометров до нескольких, имитируя разнообразную архитектуру природных сосудов.

«Мы достигли крупного прорыва в области биопечати», — добавил Чжан.  «Достижение разрешения капиллярного масштаба в биопечати — важный шаг на пути к созданию полностью функциональных тканей и целых органов».

Машинное обучение для оптимизации параметров печати

Команда также использовала машинное обучение для автономной оптимизации параметров печати для каждой желаемой конфигурации сосудов. Разработанная ими система машинного обучения позволила им точно настроить поток чернил и скорость потока газа-носителя, определив идеальное сочетание параметров печати для заданного размера канала.

«Машинное обучение — это очень мощный инструмент, который помогает нам гораздо быстрее определять оптимальные параметры по сравнению с традиционным методом проб и ошибок», — сказал Чжан. «Внедрение автономной оптимизации значительно повысило эффективность достижения желаемого качества и точности печатных каналов».

Используя этот метод двойной печати в сочетании с машинным обучением, исследователи успешно создали иерархические сосудистые сети в одном, двух и трех измерениях. Затем в определенные каналы были засеяны эндотелиальные клетки, которые образуют тонкую однослойную выстилку, называемую эндотелием, на внутренней поверхности всех кровеносных сосудов, камер сердца и лимфатических сосудов. Добавление этих эндотелиальных клеток привело к образованию однослойных клеточных структур, подобных тем, которые наблюдаются в живых тканях человека.

«Мы очень рады видеть, как живые клетки быстро прикрепляются и распространяются вдоль внутренних стенок каналов, в конечном итоге воспроизводя барьерную функцию настоящих человеческих капилляров», — сказал Чжан. «Это большой шаг вперед в демонстрации того, что наши гибридные печатные сети способны поддерживать структуры живых тканей без протечек».

Матрица, имитирующая ткань, печатается методом экструзии (слева), а желатиновый жертвенный материал наносится методом аэрозольной струйной печати (справа). После завершения печати система погружается в теплую воду, и желатиновый материал, разжиженный, удаляется, оставляя после себя точные каналы внутри матричного материала (крайний справа). (Изображение предоставлено: Юсюань Ляо и др.)

Возможные области применения сетей кровеносных капилляров, созданных с помощью 3D-печати.

При использовании в биомиметических тканевых моделях такие конструкции могут быть применены в регенеративной медицине и органной инженерии, а также в качестве моделей «орган на чипе» для тестирования безопасности и эффективности лекарственных препаратов. Кроме того, использование клеток конкретного пациента для создания этих моделей может способствовать развитию персонализированной медицины, где терапевтические реакции можно будет оценивать в рамках модельной системы до начала полномасштабного лечения.

По словам представителей Университета Нотр-Дам, конечная цель Чжана — разработка автономного интеллектуального биопринтера, способного производить полностью функциональные ткани и органы, такие как сердце, почки и печень. В ближайшем будущем его исследовательская группа и их коллеги из Гарварда получили новое финансирование от Национальных институтов здравоохранения для разработки и создания еще более мощной версии гибридного биопринтера Чжана и продолжения работы над изготовлением органов, выращенных в лаборатории.

Данное исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения и недавно было опубликовано на обложке журнала Nature Chemical Engineering.

Источник