Naukowcy wykorzystują metodę drukowania z użyciem 3D do tworzenia termoreaktywnych rusztowań nanohybrydowych

Żywe tkanki nieustannie przebudowują się w odpowiedzi na zmiany. W szczególności zmiany w sztywności macierzy komórkowej i zewnątrzkomórkowej (ECM) są ważne dla wielu patologicznych i fizjologicznych procesów, takich jak migracja, ruchliwość komórek i różnicowanie komórek macierzystych. Jednak naukowcy nie do końca rozumieją czynniki biomechaniczne, które odgrywają zasadniczą rolę w rozwoju i utrzymaniu tkanek miękkich. Dlatego tak często słyszymy o inżynierii tkankowej - łączeniu komórek z rusztowaniami, wydrukowanych w 3D lub w inny sposób, w celu wytworzenia samopodtrzymującego się zamiennika tkanek.

W nowym artykule zatytułowanym "Namohybrydowe rusztowania z pamięcią sztywną Drukowanie 3D na wrażliwe biologicznie implanty miękkie ", zespół badaczy z University College London, Uniwersytetu Brunel w Londynie oraz fundacji Royal Free London NHS Foundation Trust opracowali nanohybrydowe rusztowania z termoenzymującą poliaminą (uretano-uretanową) (z pamięcią sztywności) metoda trójwymiarowego rozdzielania faz (3D-TIPS) z drukowaniem, indukowana termicznie.

Streszczenie brzmi: "Sztywność komórek i tkanek jest ważnym biomechanicznym parametrem sygnałowym dla dynamicznych procesów biologicznych; reagujące materiały polimerowe nadające wrażliwą funkcję są zatem atrakcyjne dla implantów in vivo. Opracowaliśmy termoreaktywne rusztowania poli (mocznikowo-uretanowe) nanohybrydowe z "pamięcią sztywności" poprzez wszechstronną technikę trójwymiarowego rozdziału faz (3D-TIPS) prowadzoną metodą drukowania 3D. 3D-TIPS, połączenie druku 3D z separacją faz, umożliwia równomierne rozdzielanie faz i przejście fazowe roztworu polimerowego na dużym interfejsie sieci w zadrukowanej formie protektorowej, prowadząc do stworzenia pełnowymiarowych rusztowań z indywidualnie zaprojektowanym kompleksem anatomicznym geometria. Szeroki zakres hiperelastycznych właściwości mechanicznych miękkich elastomerowych rusztowań ze wzajemnie połączonymi porami w wielkoskalowej, kontrolowanej porowatości i krystaliczności został wytworzony, wcześniej nieosiągalny za pomocą technik bezpośredniego drukowania lub samego rozdziału faz. Półkrystaliczny polimeryczny odwrotny samoporządkowanie do naziemnej struktury quasi-losowej nanofazy, w ramach hierarchicznej struktury wewnętrznych porów, przyczynia się do stopniowego zwiotczania sztywności podczas hodowli komórek in vitro przy minimalnych zmianach kształtu. Ta "pamięć sztywności" zapewnia początkowe mechaniczne wsparcie dla otaczających tkanek, zanim stopniowo zmięknie do lepszego dopasowania mechanicznego, podnosząc nadzieje na spersonalizowanei biologicznie reaktywne implanty tkanki miękkiej, które promują wzrost ludzkich komórek fibroblastów jako model i potencjalną integrację tkanki szkieletowej. "

Podczas gdy kontrolowany moduł sprężystości kilku reagujących materiałów polimerowych do inżynierii tkankowej stosowano jako model do badania sztywności efekty w hodowlach komórkowych, ich połączony efekt elastyczności i zmiany struktury molekularnej nie ma szerokiego zakresu dostosowywanej sztywności. Jednak kopolimery blokowe, takie jak elastomery poliuretanowe (PU), mają wiele nadających się do strojenia właściwości bez konieczności zmiany ich struktury molekularnej - metoda samozasilania wymaga jedynie przełączenia. W przypadku długotrwałych wszczepialnych urządzeń sercowo-naczyniowych PUU wykazało wcześniej doskonałą biokompatybilność, biostabilność, podatność i odporność na zmęczenie, a niektóre PU mają nawet pamięć kształtu.

Używając materiałów reagujących na bodźce, możliwe drukowanie dynamicznych struktur 3D, które mogą przekształcać ich kształty lub zachowanie - jak sztywność.

"Prace te przyczyniły się do opracowania szeregu termoreaktywnych nanohybrydowych rusztowań elastomerowych, o regulowanej sztywności i hierarchicznie połączonej strukturze porowatej, wyprodukowany przez wszechstronną technikę druku pośredniego 3D "- napisali naukowcy. "Po raz pierwszy zaobserwowano, że pamięć sztywności rusztowania jest napędzana przez przemianę fazową i odwrotny samoporządkowanie od fazy półkrystalicznej do quasi-losowej nanostrukturalnej fazy kauczukowej. Wczesny wgląd w reakcję komórki podczas relaksacji sztywności rusztowań in vitro jest obiecujący dla spersonalizowanych wrażliwych biologicznie implantów miękkich. "

Zespół wykorzystał AutoCAD 2014 do zaprojektowania preform do druku 3D alkoholu poliwinylowego (PVA) do produkcji i scharakteryzowanie szkieletów PUU-POSS, przed eksportem plików STL do oprogramowania Slic3r, "gdzie zostały podzielone na szereg kolejnych warstw 200μm" dla wszechstronnego, opłacalnego drukowania pośredniego 3D-TIPS.

Naukowcy napisał: "Rekonstruowane cyfrowe obrazy pliku .stl ucha i nosa uzyskano z obrazów skanów CT, pokrojonych w 50% gęstości wypełnienia i wydrukowanych jako preforma PVA. Roztwór PUU-POSS wstrzyknięto do każdej preformy, a preformę przepłukano tak jak podano dla powyższych grup RTC + H, w celu wytworzenia anatomicznie ukształtowanych rusztowań polimerowych. "

Zespół wykorzystał technikę pośredniego druku 3D-TIPS do wytwarzają tkaninę dostosowaną do temperatury ciałarusztowanie z nanohybrydowego elastomeru PUU-POSS, który został zamknięty wewnątrz skalowalnej, drukowanej w 3D, połączonej ze sobą sieci preform PVA. Zespół wyprodukował trójwymiarowe rusztowania o jednolitych, identycznych makroskopowych rozmiarach i zawartości polimeru, ale o zmiennych właściwościach komórkowych i biomechanicznych, poprzez termiczne kontrolowanie koagulacji roztworu PUU i rozdzielanie polimerów w obrębie sieci w układzie. "

intrygująca własność tych rusztowań, czyli "pamięci sztywności", jest napędzana przez odwrotny samoporządek przejścia fazowego uporządkowanej 3D struktury krystalicznej do quasi-losowych nanostruktur miękkich i twardych segmentów w temperaturze ciała, co nadaje tej unikalnej i pożądanej dynamice mechaniczne właściwości relaksacji sztywności przy niezauważalnej zmianie kształtu "- wyjaśniają naukowcy. "Mała zmiana objętości, spowodowana rozluźnieniem uporządkowanego upakowania łańcucha w punkcie topnienia miękkich segmentów wewnątrz jednolitej, wzajemnie połączonej porowatej sieci, przyczynia się do stabilności kształtu rusztowania przy niewielkim odkształceniu."

Nieważne Jaka była początkowa sztywność w różnych warunkach procesu termicznego, rusztowania PUU-POSS wykonane za pomocą metody 3D-TIPS zespołu "zapamiętały", aby rozluźnić się w swojej hiperlastycznej fazie kauczuku, gdy osiągną temperaturę topnienia miękkich segmentów

"Technika 3D-TIPS otwiera zastosowanie szerokiej gamy biofunkcjonalnych i wcześniej niedrukowalnych polimerów i ich nanokompozytów i umożliwia przestrajanie w architekturze i sztywności wykonanych konstrukcji, które wcześniej nie były osiągalne za pomocą technik druku bezpośredniego lub oddzielania fazowego, "Zespół zakończył. "Ta metoda jest tania w krótkim czasie, nawet w przypadku skomplikowanych implantów dopasowanych do pacjenta. Potencjał poprawy wzrostu komórek i zdolności do reakcji biologicznych rusztowań w okresie gojenia pooperacyjnego, ze względu na relaksację sztywności, stanowi obiecującą platformę techniczną do opracowania biologicznie reagujących implantów tkankowych, urządzeń i robotów chirurgicznych, z dopasowanymi dynamicznymi właściwościami mechanicznymi do dopasuj dynamiczne linie komórkowe, tkanki i narządy. "