Ученые создали биопечатную мышечную ткань с человеческими качествами
Ключевым элементом разработки стала новая рецептура биочернил. Исследователи объединили альгинат — распространенный гелеобразный материал для биопечати — с фибрином, природным белком, участвующим в свертывании крови и заживлении ран.
Источник: By Ayiguli Kasimu, Zijie Meng, Zhennan Qiu, Yabo Zhang, Lang Bai, Xiao Tan, Ziyu Wang, Rosen Zhao, Qianxi Gao, Hui Zhu, Zhanguo Tong, Wurikaixi Aiyiti, Dichen Li and Jiankang He. На этой иллюстрации изображен новый процесс электрогидродинамической (ЭГД) биопечати. Электрическая сила выравнивает фибриновые нановолокна внутри биопечатной гидрогелевой нити, которая, в свою очередь, направляет инкапсулированные клетки в высокоупорядоченную структуру, позволяя создавать выровненную живую мышечную ткань.
МОСКВА, 4 марта. /Новости науки/. Китайские исследователи разработали новый подход к биопечати скелетной мышечной ткани, при котором клетки внутри напечатанной конструкции самостоятельно выстраиваются в строго упорядоченные структуры, как это происходит в мышцах человека. Авторы работы добились этого с помощью электрического поля, которое во время печати не только формирует ткань, но и задает клеткам направление роста.
Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Extreme Manufacturing.
Как отмечают ученые, одна из главных проблем регенеративной медицины заключается в том, что настоящая мышца — это не просто скопление клеток. Ее сила и работоспособность зависят от того, насколько точно и упорядоченно ориентированы мышечные волокна. При этом у разных мышц такая внутренняя архитектура различается: где-то волокна идут параллельно, а где-то изгибаются или расходятся веером. Воссоздать не только внешнюю форму мышцы, но и ее внутренний порядок до сих пор было крайне сложно.
Существующие методы тканевой инженерии могут стимулировать выравнивание клеток, однако обычно это удается лишь в плоских слоях или в простых структурах. Биопечать, напротив, хорошо подходит для создания трехмерной формы, но клетки внутри таких конструкций часто остаются дезорганизованными. Иными словами, мышцу можно напечатать по очертаниям, но ее клетки «не понимают», как именно они должны располагаться, чтобы ткань могла полноценно работать.
Команда из Сианьского университета Цзяотун решила эту задачу с помощью метода электро-гидродинамической биопечати. В отличие от обычной биопечати, где мягкий материал просто выдавливается через сопло, здесь используется сильное электрическое поле, вытягивающее очень тонкие струи жидкости. Это позволяет добиться значительно более высокой точности печати.
Ключевым элементом разработки стала новая рецептура биочернил. Исследователи объединили альгинат — распространенный гелеобразный материал для биопечати — с фибрином, природным белком, участвующим в свертывании крови и заживлении ран. Особенность фибрина в том, что он чувствителен к электрическому полю. Во время печати под действием напряжения его случайно распределенные кластеры перестраивались в длинные и упорядоченные нановолокна, ориентированные вдоль напечатанной нити.
Этот процесс происходил на стадии формирования так называемого конуса Тейлора — момента, когда под высоким напряжением из жидкости начинает образовываться тонкая струя. При напряжении около 3 тыс. вольт фибрин выстраивался в нановолокна, которые служили для клеток своеобразными «рельсами». Оказавшиеся внутри геля клетки ориентировались по этим структурам и начинали расти в заданном направлении.
Благодаря тому, что такое выравнивание возникало прямо в процессе печати, ученые смогли формировать мышечные ткани с разной внутренней архитектурой. Меняя траекторию движения печатающей головки, они получали конструкции с прямыми, изогнутыми и кольцевыми волокнами. Это открывает возможность воспроизводить не один условный тип мышцы, а разные варианты строения, встречающиеся в организме.
Чтобы сделать такие ткани еще более похожими на настоящую мышцу, исследователи добавили в биочернила проводящие полимеры. Поскольку мышечная ткань использует электрические сигналы для координации сокращений, такие добавки улучшили электрические свойства конструкций. В результате клетки эффективнее сливались в зрелые мышечные волокна и активнее вырабатывали характерные для мышц белки.
Наиболее важным этапом стала проверка на живом организме. При имплантации животным с мышечными дефектами напечатанные ткани способствовали формированию новой мышечной ткани и заметно улучшали функциональное восстановление. Иначе говоря, такие конструкции не просто сохранялись в организме, но и реально помогали восстанавливать утраченную функцию мышцы.
По мнению авторов, исследование показывает, что электрическое поле можно использовать как инструмент, который управляет формированием живой ткани изнутри, задавая клеткам правильную пространственную организацию. Если этот подход удастся распространить и на другие органы, он может помочь преодолеть один из главных барьеров современной биопечати — разрыв между внешней формой ткани и ее реальной биологической функцией.
Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Extreme Manufacturing.
Как отмечают ученые, одна из главных проблем регенеративной медицины заключается в том, что настоящая мышца — это не просто скопление клеток. Ее сила и работоспособность зависят от того, насколько точно и упорядоченно ориентированы мышечные волокна. При этом у разных мышц такая внутренняя архитектура различается: где-то волокна идут параллельно, а где-то изгибаются или расходятся веером. Воссоздать не только внешнюю форму мышцы, но и ее внутренний порядок до сих пор было крайне сложно.
Существующие методы тканевой инженерии могут стимулировать выравнивание клеток, однако обычно это удается лишь в плоских слоях или в простых структурах. Биопечать, напротив, хорошо подходит для создания трехмерной формы, но клетки внутри таких конструкций часто остаются дезорганизованными. Иными словами, мышцу можно напечатать по очертаниям, но ее клетки «не понимают», как именно они должны располагаться, чтобы ткань могла полноценно работать.
Команда из Сианьского университета Цзяотун решила эту задачу с помощью метода электро-гидродинамической биопечати. В отличие от обычной биопечати, где мягкий материал просто выдавливается через сопло, здесь используется сильное электрическое поле, вытягивающее очень тонкие струи жидкости. Это позволяет добиться значительно более высокой точности печати.
Ключевым элементом разработки стала новая рецептура биочернил. Исследователи объединили альгинат — распространенный гелеобразный материал для биопечати — с фибрином, природным белком, участвующим в свертывании крови и заживлении ран. Особенность фибрина в том, что он чувствителен к электрическому полю. Во время печати под действием напряжения его случайно распределенные кластеры перестраивались в длинные и упорядоченные нановолокна, ориентированные вдоль напечатанной нити.
Этот процесс происходил на стадии формирования так называемого конуса Тейлора — момента, когда под высоким напряжением из жидкости начинает образовываться тонкая струя. При напряжении около 3 тыс. вольт фибрин выстраивался в нановолокна, которые служили для клеток своеобразными «рельсами». Оказавшиеся внутри геля клетки ориентировались по этим структурам и начинали расти в заданном направлении.
Благодаря тому, что такое выравнивание возникало прямо в процессе печати, ученые смогли формировать мышечные ткани с разной внутренней архитектурой. Меняя траекторию движения печатающей головки, они получали конструкции с прямыми, изогнутыми и кольцевыми волокнами. Это открывает возможность воспроизводить не один условный тип мышцы, а разные варианты строения, встречающиеся в организме.
Чтобы сделать такие ткани еще более похожими на настоящую мышцу, исследователи добавили в биочернила проводящие полимеры. Поскольку мышечная ткань использует электрические сигналы для координации сокращений, такие добавки улучшили электрические свойства конструкций. В результате клетки эффективнее сливались в зрелые мышечные волокна и активнее вырабатывали характерные для мышц белки.
Наиболее важным этапом стала проверка на живом организме. При имплантации животным с мышечными дефектами напечатанные ткани способствовали формированию новой мышечной ткани и заметно улучшали функциональное восстановление. Иначе говоря, такие конструкции не просто сохранялись в организме, но и реально помогали восстанавливать утраченную функцию мышцы.
По мнению авторов, исследование показывает, что электрическое поле можно использовать как инструмент, который управляет формированием живой ткани изнутри, задавая клеткам правильную пространственную организацию. Если этот подход удастся распространить и на другие органы, он может помочь преодолеть один из главных барьеров современной биопечати — разрыв между внешней формой ткани и ее реальной биологической функцией.
