Теперь исследователи из Пенсильванского университета разработали новый наноинженерный гранулированный гидрогелевый биоинк, который использует самосборяющиеся наночастицы и микрочастицы гидрогеля, или микрогели, для достижения ранее недостижимых уровней пористости, точности формы и интеграции клеток.

Команда опубликовала свой подход в журнале Маленький.

"Мы разработали новый гранулированный гидрогелевый биоинк для 3D-экструзионной биопечати тканеинженерных микропористых каркасов", - сказал автор-корреспондент Амир Шейхи, доцент кафедры химической инженерии Пенсильванского государственного университета, который имеет специальное назначение в области биомедицинской инженерии. "Мы преодолели предыдущие ограничения 3D-биопечати гранулированных гидрогелей путем обратимого связывания микрогелей с использованием наночастиц, которые самосборятся. Это позволяет изготавливать гранулированный гидрогелевый биоинк с хорошо сохраненной микропористостью, улучшенной печатаемостью и точностью формы."

На сегодняшний день большинство биоинъекций основаны на объемных гидрогелях - полимерных сетках, которые могут удерживать большое количество воды, сохраняя при этом свою структуру, - с наноразмерными порами, которые ограничивают межклеточные взаимодействия и клеточно-матричные взаимодействия, а также перенос кислорода и питательных веществ. Они также требуют деградации и/или ремоделирования, чтобы обеспечить инфильтрацию и миграцию клеток, задерживая или ингибируя интеграцию биоинк-ткани.

"Основным ограничением 3D-биопечати с использованием обычных объемных гидрогелевых биоинков является компромисс между точностью формы и жизнеспособностью клеток, которая регулируется жесткостью и пористостью гидрогеля", - сказал Шейхи. "Увеличение жесткости гидрогеля улучшает точность формы конструкции, но это также уменьшает пористость, ставя под угрозу жизнеспособность клеток".

Чтобы преодолеть эту проблему, ученые в этой области начали использовать микрогели для сборки тканеинженерных каркасов. В отличие от объемных гидрогелей, эти гранулированные гидрогелевые каркасы были способны формировать 3D-конструкции на месте, регулируют пористость созданных структур и отделяют жесткость гидрогелей от пористости.

Однако, по словам Шейхи, жизнеспособность клеток и миграция оставались проблемой. Для достижения положительных характеристик в процессе 3D-печати гранулированные гидрогели должны быть плотно упакованы друг с другом, что ограничивает пространство между микрогелями и отрицательно влияет на пористость, что, в свою очередь, отрицательно влияет на жизнеспособность и подвижность клеток.

Подход исследователей из Пенсильванского университета решает проблему "заклинивания", сохраняя при этом положительные свойства гранулированных гидрогелей за счет увеличения липкости микрогелей друг к другу. Микрогели прилипают друг к другу, устраняя необходимость в плотной упаковке в результате межфазной самосборки наночастиц, адсорбированных на микрогелях, и сохранения микромасштабных пор.

"Наша работа основана на предположении, что наночастицы могут адсорбироваться на поверхности полимерного микрогеля и обратимо приклеивать микрогели друг к другу, не заполняя при этом поры между микрогелями", - сказал Шейхи. "Механизм обратимой адгезии основан на гетерогенно заряженных наночастицах, которые могут придавать динамическое сцепление неплотно упакованным микрогелям. Такие динамические связи могут образовываться или разрываться при высвобождении или приложении силы сдвига, обеспечивая возможность 3D-биопечати суспензий микрогеля без их плотной упаковки."

Исследователи говорят, что эта технология может быть расширена до других гранулированных платформ, состоящих из синтетических, природных или гибридных полимерных микрогелей, которые могут быть собраны друг с другом с использованием аналогичных наночастиц или других физических и / или химических методов, таких как обратимое связывание, индуцированное зарядом, взаимодействия хозяин-гость или динамические ковалентные связи.

По словам Шейхи, исследователи планируют изучить, как наноинженерный гранулированный биоинк может быть в дальнейшем применен для тканевой инженерии и регенерации, моделирования органов / тканей / заболеваний на чипе и на месте 3D-биопечать органов.

"Решив одну из постоянных проблем в области 3D-биопечати гранулированных гидрогелей, наша работа может открыть новые возможности в тканевой инженерии и печати функциональных органов", - сказал Шейхи.

Передовые материалы назвали Шейхи восходящей звездой для этой статьи. Серия "Восходящая звезда" призвана "отметить разнообразие международных научных сообществ, которым служат [журналы Advanced Science, Advanced Materials, Advanced Healthcare Materials и Small], собирая выдающиеся исследовательские статьи об исследованиях, концептуализированных и контролируемых признанными начинающими исследователями со всего мира", сообщается на веб-сайте журнала..

Другими авторами статьи являются докторанты химической инженерии Заман Атайе и Сина Хейрабади; студенты бакалавриата химической инженерии Рея Цзян и Картер Петроски; студент бакалавриата машиностроения и биомедицинской инженерии Кристиан Волльберг; студент бакалавриата машиностроения Дженна Ваньцзин Чжан; и студент бакалавриата биомедицинской инженерии Александр Кедзерский.

Программа семенных грантов для совместных исследований в области живых многофункциональных материалов штата Пенсильвания и семенные гранты Института материаловедения штата Пенсильвания и инженерного колледжа Materials Matter at the Human Level частично финансировали это исследование.