Статья первоначально опубликована на сайте 3dprintingindustry.com

Учёные из Carnegie Mellon University (CMU), штат Пенсильвания, применили новый метод трёхмерной биопечати для создания функциональных структур человеческого сердца.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, усовершенствованная технология Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) была использована для трёхмерной печати коллагеновых структур малых кровеносных сосудов, клапанов и сокращающихся желудочков сердца.

Технология FRESH запатентована компанией FluidForm из штата Массачусетс. Профессор Адам Файнберг, технический директор и сооснователь FluidForm, а также руководитель исследовательской группы Regenerative Biomaterials and Therapeutics Group в CMU, отметил:

«Теперь мы можем создавать конструкты, воспроизводящие ключевые структурные, механические и биологические свойства естественных тканей. На пути к созданию трёхмерных органов с помощью биоинженерии ещё предстоит решить множество задач, однако это исследование представляет собой значительный шаг вперёд».

Трёхстворчатый клапан сердца, напечатанный из коллагена с использованием технологии FRESH. Изображение: CMU.

Трёхмерная биопечать мягких материалов

Одной из распространённых проблем трёхмерной биопечати является сохранение формы сложных структур, созданных из мягких материалов и белков, включая коллаген. В технологии FRESH в качестве поддерживающего материала используется неньютоновский гель. Его свойства позволяют печатающей игле перемещаться через материал как через жидкость, предотвращая разрушение или деформацию мягких каркасов.

Файнберг и исследователи CMU применили быстрое изменение уровня pH во время процесса FRESH, чтобы запустить самосборку внутри поддерживающей среды с заданным кислотно-щелочным балансом.

Майк Граффео, генеральный директор FluidForm, добавил:

«Разработанная в CMU технология FRESH позволяет исследователям в области биопечати достигать беспрецедентного уровня структурной сложности, разрешения и точности воспроизведения. Это может обеспечить значительный прогресс в данной области. Мы рады возможности сделать эту технологию доступной исследователям по всему миру».

Ранее Файнберг и его команда разработали алгоритм для выбора оптимальных параметров трёхмерной печати мягкими материалами. Метод получил название Expert-Guided Optimization (EGO). Алгоритм объединяет экспертную оценку с данными об оптимизации работы трёхмерного принтера, что позволяет ускорить разработку новых материалов.

С помощью метода FRESH исследователи CMU также создали напечатанные трёхмерные модели сердца на основе данных магнитно-резонансной томографии человека. Эти опытные модели продемонстрировали возможность создания сложных каркасов для широкого спектра тканей и систем органов.

После этого методом трёхмерной биопечати были созданы уменьшенные модели желудочков сердца с использованием кардиомиоцитов человека — клеток сердечной мышцы. Они позволили продемонстрировать возможность формирования более плотных структур с утолщением стенок до 14 %.

При этом команда CMU отметила ряд сохраняющихся сложностей. Среди них — необходимость получения миллиардов клеток для трёхмерной биопечати более крупных тканей, а также отсутствие чётко определённой процедуры нормативного регулирования для дальнейшего клинического применения метода.

Исследование 3D bioprinting of collagen to rebuild components of the human heart подготовлено Andrew Lee, Andrew Hudson, D. J. Shiwarski, J. W. Tashman, T. J. Hinton, S. Yerneni, J. M. Bliley, P. G. Campbell и Adam Feinberg.