Kriogenika i druk 3D wykorzystywane do tworzenia super miękkich replik struktur biologicznych do regeneracji tkanki

Jeśli lekarze byliby w stanie zregenerować uszkodzoną tkankę ludzką przez "zasianie" porowatych rusztowań komórkami i pobudzanie ich wzrostu, organizm byłby w stanie wyleczyć procedury przeszczepu, które zastąpiłyby tkankę bez konieczności zajmowania się wieloma problemami, takimi jak odrzucenie przez organizm, który zwykle nęka ten typ operacji.

Metoda, stworzona we współpracy z naukowcami z Kings College London, wykorzystuje drukowanie 3D i kriogeniki do tworzenia super miękkich struktur, które mogą ostatecznie replikować złożone narządy.

"Kriogenika jest nowatorskim aspektem tej technologii - wykorzystuje przemianę fazową między cieczą a ciałem stałym, aby wywołać polimeryzację i stworzyć super miękkie obiekty, które mogą utrzymać ich kształt" - wyjaśnia dr Antonio Elia Forte, jeden z naukowcy z Departamentu Bioinżynierii ICL. "Oznacza to, że technologia ma szeroki zakres możliwych zastosowań."

Prace zespołu opierają się na wcześniejszych badaniach, ale posunęły się o krok dalej i opracowały pierwszą metodę, która może stworzyć struktury na tyle miękkie, aby imitować właściwości mechaniczne narządów, takich jak mózg i płuca. Naukowcy opublikowali nową technikę w artykule zatytułowanym "Kriogeniczne drukowanie 3D super miękkich hydrożeli" w czasopiśmie Scientific Reports; współautorami są: Zhengchu Tan, Cristian Parisi, Lucy Di Silvio, Daniele Dini i Dr. Forte.

Streszczenie brzmi: "W tym artykule przedstawiamy kriogeniczną metodę drukowania 3D umożliwiającą tworzenie stabilnych struktur 3D przez wykorzystanie fazy ciekłej do stałej zmiany złożonego tuszu hydrożelowego (CH). Osiąga się to przez szybkie chłodzenie roztworu tuszu poniżej jego temperatury krzepnięcia za pomocą stałego dwutlenku węgla (CO2) w kąpieli izopropanolowej. Układ był w stanie z powodzeniem stworzyć złożone geometryczne struktury 3D o średniej sztywności ściskającej O (1) kPa (obciążenie 0,49 ± 0,04 kPa przy 30% odkształceniu ściskającym), a zatem naśladuje mechaniczne właściwości najdelikatniejszych tkanek znalezionych w ludzkim ciele (np. mózg i płuco). Metodę tę dodatkowo potwier- dzono, pokazując, że materiał drukowany w 3D był dobrze dopasowany do odlewanego ekwiwalentu pod względem właściwości mechanicznych i mikrostruktury. Wstępną ocenę biologiczną materiału drukowanego 3D, powleczonego kolagenem typu I, poli-L-lizyną i żelatyną, przeprowadzono zaszczepiając ludzkie fibroblasty skóry. Komórki wykazywały dobre przywiązanie i żywotność na powlekanym kolagenem druku 3D CH. To znacznie rozszerza zakres zastosowańdla kriogenicznie drukowanych struktur CH w 3D, od fantomów tkanek miękkich do treningu chirurgicznego i symulacji, do mechanobiologii i inżynierii tkankowej. "

Technika zespołu badawczego wykorzystuje stały dwutlenek węgla, zwany również suchym lodem, aby szybko schłodzić tusz hydrożelowy wytłaczany z drukarki 3D; do celów eksperymentu naukowcy użyli zmodyfikowanej drukarki Ultimaker 3D. Gdy atrament się roztopi, tworzy żel, który jest tak miękki jak ludzka tkanka. Centrum Druku 3D .

"At w momencie, w którym stworzyliśmy struktury o wielkości kilku centymetrów, ale najlepiej chcielibyśmy stworzyć replikę całego narządu za pomocą tej techniki ", powiedział Tan, doktorant z Wydziału Inżynierii Mechanicznej ICL.

Podczas gdy podobne techniki doprowadziły do ​​upadku struktur pod ich własnym ciężarem, nie było tak w przypadku pracy ICL. Metoda ta jest wyjątkowo wyjątkowa, ponieważ można ją wykorzystać do tworzenia super miękkich rusztowań, podobnych do najdelikatniejszych tkanek znalezionych w ludzkim ciele. Ponieważ zespół był w stanie dopasować się do miękkości i struktury tkanek ludzkiego ciała, uzyskane struktury mogły zostać użyte do utworzenia rusztowań w procedurach medycznych, które mogłyby być szablonem i promować tworzenie tkanki.

Zespół rozstawił swoje 3D drukowane struktury z komórkami fibroblastów skóry, aby je przetestować - komórki generują tkankę łączną w skórze - i opisały udane przywiązanie i przeżycie. Badania te mogą prowadzić do wielu możliwości i zastosowań w medycynie, takich jak hodowanie komórek macierzystych i wysiewanie komórek neuronalnych zaangażowanych w rdzeń kręgowy i mózg. W przyszłości naukowcy mogą nawet wykorzystać nową technikę druku 3D do tworzenia replik części ciała i narządów, co może poprawić trening medyczny i umożliwić przeprowadzanie eksperymentów, których nie można ukończyć na żywo u ludzi.