Trimatis (3D) spausdinimas nėra tik būdas greitai pagaminti materialius produktus. Ji taip pat siūlo mokslininkams būdą sukurti žmogaus audinių kopijas, kurios galėtų būti naudojamos žmonių sveikatai gerinti, pavyzdžiui, kuriant organus transplantacijai, tiriant ligos progresavimą ir tikrinant naujus vaistus. Nors per daugelį metų mokslininkai padarė pažangą, šiai sričiai trukdė ribotos esamos technologijos, negalinčios spausdinti audinių su dideliu ląstelių tankiu.
Penn State mokslininkų komanda sukūrė naują biospausdinimo techniką, kuri naudoja sferoidus, kurie yra ląstelių sankaupos, kad sukurtų sudėtingus audinius. Ši nauja technika pagerina audinių gamybos tikslumą ir mastelį, gamindama audinį 10 kartų greičiau nei esami metodai. Pasak mokslininkų, tai dar labiau atveria duris funkcinių audinių ir organų vystymuisi ir pažangai regeneracinės medicinos srityje.
Jie paskelbė savo išvadas m Gamtos komunikacijos.
„Ši technika yra reikšminga pažanga greito sferoidų biospausdinimo srityje“, – sakė Ibrahimas T. Ozbolat, Dorothy Foehr Huck ir J. Lloydas Huckas, 3D biospausdinimo ir regeneracinės medicinos katedros vedėjas bei inžinerijos mokslo ir mechanikos, biomedicinos inžinerijos ir neurochirurgijos profesorius. Penn State. „Tai leidžia biospausdinti audinius dideliu našumu daug greičiau nei esami metodai, turintys didelį ląstelių gyvybingumą.”
Biospausdinimas leidžia tyrėjams sukurti 3D struktūras iš gyvų ląstelių ir kitų biomedžiagų. Gyvos ląstelės yra inkapsuliuojamos į substratą, pavyzdžiui, hidrogelį, kad būtų sukurtas biorašalas, kuris vėliau spausdinamas sluoksniais naudojant specializuotą spausdintuvą. Šios ląstelės auga ir dauginasi, galiausiai per kelias savaites subręsta į 3D audinį. Ozbolatas paaiškino, kad tai panašu į plytų sienos statybą, kai ląstelės yra plytos, o biorašalas yra cementas arba skiedinys.
Tačiau naudojant šį standartinį metodą sunku pasiekti tokį pat ląstelių tankį, koks yra žmogaus kūne, sakė Ozbolat. Šis ląstelių tankis yra būtinas norint sukurti audinį, kuris yra funkcionalus ir gali būti naudojamas klinikinėje aplinkoje. Kita vertus, sferoidai yra perspektyvi audinių biospausdinimo alternatyva, nes jų ląstelių tankis panašus į žmogaus audinių.
Nors 3D spausdinimo sferoidai yra perspektyvus sprendimas norint sukurti reikiamą tankį, tyrėjus ribojo keičiamų metodų trūkumas. Esami biospausdinimo metodai dažnai pažeidžia subtilias ląstelių struktūras spausdinimo proceso metu, todėl kai kurios ląstelės žūva. Kitos technologijos yra sudėtingos ir nesuteikia tikslios sferoidų, reikalingų žmogaus audinių kopijoms sukurti, judėjimo ir padėties valdymo.
Arba procesai vyksta lėtai. Anksčiau paskelbtuose tyrimuose Ozbolatas ir jo kolegos sukūrė aspiracinę biospausdinimo sistemą. Naudodami pipetės antgalį tyrėjai galėjo paimti mažyčius ląstelių rutuliukus ir padėti juos tiksliai ten, kur jie susirenka ir sukuria tvirtą audinį. Tačiau kadangi ši technika apima sferoidų perkėlimą po vieną, vieno kubinio centimetro struktūros sukūrimas gali užtrukti kelias dienas.
Siekdama išspręsti šias problemas, komanda sukūrė naują techniką, vadinamą didelio našumo integruota audinių gamybos sistema biospausdinimui (HITS-Bio). HITS-Bio naudoja skaitmeniniu būdu valdomą purkštukų masyvą, kelių purkštukų išdėstymą, kuris juda trimis matmenimis ir leidžia tyrėjams vienu metu manipuliuoti keliais sferoidais.
Komanda suorganizavo purkštukus į keturių kartų masyvą, kuris vienu metu gali paimti 16 sferoidų ir greitai bei tiksliai įdėti juos ant biorašalo pagrindo. Purkštukų masyvas taip pat gali paimti sferoidus pagal pritaikytus modelius, kuriuos vėliau galima pakartoti, kad būtų sukurta sudėtingų audinių architektūra.
„Tada galime labai greitai sukurti keičiamo dydžio struktūras“, – sakė Ozbolatas. „Tai 10 kartų greitesnis už esamus metodus ir išlaiko daugiau nei 90% aukštą ląstelių gyvybingumą.”
Norėdami išbandyti platformą, komanda nusprendė pagaminti kremzlės audinį. Jie sukūrė vieno kubinio centimetro struktūrą, kurioje yra maždaug 600 sferoidų, pagamintų iš ląstelių, galinčių formuoti kremzlę. Procesas truko mažiau nei 40 minučių – tai labai efektyvus greitis, pranokstantis esamų biospausdinimo technologijų pajėgumus.
Tada komanda parodė, kad biospausdinimo technika gali būti naudojama audinių taisymui pagal poreikį chirurginėje žiurkės modelio aplinkoje. Jie atspausdino sferoidus tiesiai į žaizdos vietą kaukolėje operacijos metu, o tai buvo pirmas kartas, kai sferoidai buvo atspausdinti operacijos metu. Tyrėjai užprogramavo sferoidus, kad jie virstų kaulu, naudodami mikroRNR technologiją. MikroRNR padeda kontroliuoti genų ekspresiją ląstelėse, įskaitant tai, kaip ląstelės skiriasi į specifinius tipus.
„Kadangi mes tiekėme ląsteles didelėmis dozėmis naudodami šį metodą, tai iš tikrųjų pagreitino kaulų atstatymą“, – sakė Ozbolatas. Po trijų savaičių žaizda 91% užgijo po trijų savaičių ir 96% užgijo jau po šešių savaičių.
HITS-Bio technika suteikia galimybę sukurti sudėtingus ir funkcinius audinius keičiamo mastelio būdu, sakė Ozbolat. Padidinus purkštukų skaičių, gali susidaryti didesni ir sudėtingesni audiniai, tokie kaip organai ir organų audiniai, tokie kaip kepenys.
Ozbolatas teigė, kad komanda taip pat dirba su metodais, kaip įtraukti kraujagysles į pagamintą audinį, o tai yra būtinas žingsnis siekiant sukurti daugiau audinių tipų, kurie gali būti naudojami kliniškai arba transplantacijai. Tai nebuvo problema naudojant dvi šiame tyrime parodytas programas, nes kremzlėje nėra kraujagyslių, o chirurginėje aplinkoje aplinkinės kraujagyslės galėtų padėti kraujui tekėti į biospausdintą kaulinį audinį.