Коллектив ученых из Санкт-Петербургского
университета, Института высокомолекулярных соединений РАН и Университета
Ганновера разработал новую технологию 3D-печати материалов для тканевой
инженерии путем фотосшивания наночастиц. Разработка позволит выйти на новый
уровень имплантирования.
Современная тканевая инженерия позволяет
восстанавливать достаточно большие дефекты различных тканей человека –
мышечной, нервной, соединительной и других. Для этого применяются имплантаты на
основе комбинаций стволовых клеток из тканей пациента и специальных материалов,
необходимых для обеспечения трехмерного роста клеток. Точный подбор этих
элементов для конкретного пациента позволяет достичь высокой биосовместимости
имплантатов с человеческим телом и использовать их для замещения участков
поврежденной ткани, а иногда даже для внутренних органов. Материалы,
используемые для создания подобных индивидуальных имплантатов, называются
скаффолды (от англ. scaffold – строительные леса). На скаффолде располагают
биологический материал: клетки и специальные биомолекулы – белки или пептиды,
способствующие прикреплению, размножению и функционированию клеток. Таким
образом, клетки на скаффолде, как рабочие на строительных лесах, воспроизводят
полноценную живую ткань человеческого тела и замещают ей поврежденную.
«Мы использовали суспензии наночастиц и
с их помощью напечатали скаффолды на 3D-принтере. Испытания на клетках in vitro
показали достаточную механическую прочность этих материалов, а также их
биосовместимость», – пояснил руководитель лаборатории биоматериалов СПбГУ,
доцент СПбГУ (кафедра медицинской химии) Виктор Коржиков-Влах.
Как рассказал эксперт, главное преимущество
использования наночастиц в том, что они, в отличие от массивных материалов,
применяемых в трансплантологии, позволяют создавать структуры, подражающие
сложноорганизованным биологическим тканям. Такие материалы необходимо
использовать, когда структура имплантата должна быть неоднородна, как,
например, человеческая кость, имеющая жесткую внешнюю и пористую внутреннюю
структуру. Другой пример – контакты костной и хрящевой ткани, требующие
восстановления после травмы.
В качестве «чернил» для 3D-печати скаффолдов химики
СПбГУ использовали наночастицы на основе полимолочной кислоты, представляющей
собой биоразлагаемый полимер, а также нанокристаллической целлюлозы. Объединить
частицы в трехмерные структуры стало возможно за счет реакции фотосшивания –
специального процесса образования ковалентных связей (так называемых сшивок)
между частицами при облучении их ультрафиолетом.
По словам авторов исследования, «чернилами» также
могут быть суспензии различных наночастиц, обладающих разной жесткостью, с
применением нескольких печатающих головок 3D-принтера – это позволит создавать
скаффолды, обладающие градиентом механических свойств. Кроме того, частицы
можно модифицировать биологическими компонентами, которые будут распределяться
в пространстве скаффолда при 3D-печати, таким образом создавая основу для
формирования, например, кровеносных сосудов или межтканевых контактов.
Исследование выполнено с использованием
инфраструктуры ресурсных центров Научного парка СПбГУ: «Магнитно-резонансные
методы исследования», «Методы анализа состава вещества», «Развитие молекулярных
и клеточных технологий», междисциплинарного ресурсного центра по направлению
«Нанотехнологии».
Отметим, что сегодня в СПбГУ активно развивается
направление разработки биоэлектронных протезов. Так, в конце 2022 года ученые
Университета разработали новые нейронные имплантаты без металлов в составе.
Исследование опубликовано в Polymers.
Источник: пресс-служба СПбГУ.