На этой иллюстрации показан желудочек сердца, напечатанный на 3D-принтере и созданный с помощью чернил, наполненных волокнами. Фото: Гарвардский университет SEAS.
Кэт Дж. Макэлпайн / SEAS Communications
За последнее десятилетие достижения в области 3D-печати открыли перед биоинженерами новые возможности для создания тканей и структур сердца. Их цели включают создание лучшего in vitro платформы для открытия новых методов лечения болезней сердца, основной причины смерти в Соединенных Штатах, на которую приходится примерно каждая пятая смерть в стране, и использования 3D-печатных тканей сердца для оценки того, какие методы лечения могут лучше всего работать у отдельных пациентов. Более отдаленная цель — создание имплантируемых тканей, которые смогут исцелять или заменять дефектные или больные структуры внутри сердца пациента.
В статье, опубликованной в Природные материалыисследователи из Гарвардская школа инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и Институт биологической инженерии Висса при Гарвардском университете сообщают о разработке новых гидрогелевых чернил, наполненных желатиновыми волокнами, которые позволяют 3D-печать функционального желудочка сердца, имитирующего биение человеческого сердца. Они обнаружили, что гелевые чернила, наполненные волокнами (FIG), позволяют клеткам сердечной мышцы, напечатанным в форме желудочка, выравниваться и координировать свои сокращения, как в камере сердца человека.
«Люди пытались воспроизвести структуры и функции органов, чтобы проверить безопасность и эффективность лекарств, чтобы предсказать, что может произойти в клинических условиях», — говорит Суджи Чой, научный сотрудник SEAS и первый автор статьи. Но до сих пор одни только методы 3D-печати не смогли достичь физиологически значимого выравнивания кардиомиоцитов — клеток, ответственных за скоординированную передачу электрических сигналов для сокращения сердечной мышцы.
«Мы начали этот проект, чтобы устранить некоторые недостатки 3D-печати биологических тканей».
— Кевин «Кит» Паркер
Инновация заключается в добавлении волокон в печатную краску. «Чернила Fig способны течь через печатное сопло, но после печати структура сохраняет свою трехмерную форму», — говорит Чой. «Благодаря этим свойствам я обнаружил, что можно напечатать структуру, похожую на желудочек, и другие сложные трехмерные формы без использования дополнительных вспомогательных материалов или каркасов».
В этом видео показано спонтанное сокращение сердечной мышцы, напечатанной на 3D-принтере. Фото: Гарвардский университет SEAS.
Для создания чернил Fig Чой использовал техника ротационного струйного прядения разработан в лаборатории г. Кевин «Кит» Паркер, Кандидат наук. которая производит материалы из микроволокна, используя подход, аналогичный способу прядения сладкой ваты. Постдокторант и специалист Wyss Lumineer Люк МакКуин, соавтор статьи, предложил идею о том, что волокна, созданные методом ротационного струйного прядения, можно добавлять в чернила и печатать на 3D-принтере. Паркер является младшим преподавателем Висса и профессором биоинженерии и прикладной физики семьи Тарр в SEAS.
«Когда Люк разработал эту концепцию, его целью было расширить диапазон пространственных масштабов, которые можно было напечатать на 3D-принтерах, исключив нижнюю границу нижних пределов и сведя ее к нанометровому масштабу», — говорит Паркер. «Преимущество производства волокон ротационным струйным прядением, а не электропрядением» — более традиционным методом создания ультратонких волокон — «в том, что мы можем использовать белки, которые в противном случае разлагались бы под действием электрических полей при электропрядении».
Используя вращающуюся струю для прядения желатиновых волокон, Чой создал лист материала, внешне напоминающий хлопок. Затем она использовала ультразвуковую обработку — звуковые волны — чтобы разбить этот лист на волокна длиной от 80 до 100 микрометров и диаметром от 5 до 10 микрометров. Затем она распределила эти волокна в гидрогелевых чернилах.
«Эта концепция широко применима — мы можем использовать нашу технику прядения волокон для надежного производства волокон нужной длины и формы».
— Суджи Чой
Самым сложным аспектом было определение желаемого соотношения волокон и гидрогеля в чернилах для поддержания выравнивания волокон и общей целостности 3D-печатной структуры.
Когда Чой печатал 2D- и 3D-структуры с помощью чернил Fig, кардиомиоциты выстраивались в линию в соответствии с направлением волокон внутри чернил. Контролируя направление печати, Чой мог контролировать выравнивание клеток сердечной мышцы.
Тканеинженерная 3D-модель желудочка. Фото: Гарвардский университет SEAS.
Когда она применила электрическую стимуляцию к 3D-печатным структурам, созданным с помощью чернил Fig, она обнаружила, что это вызвало скоординированную волну сокращений, соответствующую направлению этих волокон. В конструкции в форме желудочка «было очень интересно видеть, как камера на самом деле работает так же, как работают желудочки настоящего сердца», — говорит Чой.
Экспериментируя с разными направлениями печати и формулами чернил, она обнаружила, что может генерировать еще более сильные сокращения в формах, похожих на желудочки.
«По сравнению с настоящим сердцем наша модель желудочка упрощена и миниатюризирована», — говорит она. В настоящее время команда работает над созданием более похожих на живые сердечные ткани с более толстыми мышечными стенками, которые могут сильнее перекачивать жидкость. Несмотря на то, что желудочек сердца, напечатанный на 3D-принтере, не так силен, как настоящая сердечная ткань, он может перекачивать в 5-20 раз больший объем жидкости, чем предыдущие камеры сердца, напечатанные на 3D-принтере.
Команда утверждает, что эту технику также можно использовать для создания сердечных клапанов, двухкамерных миниатюрных сердец и многого другого.
«FIG — это всего лишь один инструмент, который мы разработали для аддитивного производства», — говорит Паркер. «У нас есть другие методы в разработке, поскольку мы продолжаем наши поиски по созданию человеческих тканей для регенеративной терапии. Цель не в том, чтобы руководствоваться инструментами – мы не придерживаемся инструментов в поисках лучшего способа построения биологии».
Среди других авторов – Кил Йонг Ли, Шон Л. Ким, Хуйбин Чанг, Джон Ф. Циммерман, Цяньру Джин, Майкл М. Питерс, Херделин Энн М. Ардонья, Сюйцзе Лю, Энн-Кэролайн Хейлер, Руди Габарди, Коллин Ричардсон, Уильям Т. Пу и Андреас Бауш.
Эта работа спонсировалась SEAS; Национальный научный фонд через Центр исследований материалов и инженерии Гарвардского университета (DMR-1420570, DMR-2011754); Национальные институты здравоохранения и Национальный центр развития трансляционных наук (UH3HL141798, 225 UG3TR003279); Центр наномасштабных систем (CNS) Гарвардского университета, член Национальной сети скоординированной инфраструктуры нанотехнологий (NNCI), поддерживаемой Национальным научным фондом (ECCS-2025158, S10OD023519); и постдокторские стипендии Ирвинга С. Сигала Американского химического общества.
Институт Висса использует принципы дизайна природы для разработки биотехнологических материалов и устройств, которые изменят медицину и создадут более устойчивый мир.
Институт Висса использует принципы дизайна природы для разработки биотехнологических материалов и устройств, которые изменят медицину и создадут более устойчивый мир.