Технология 3D-печати стала многообещающим решением для создания искусственных кровеносных сосудов, важнейшего компонента в разработке выращенных в лаборатории органов и передовой тканевой инженерии.
Как сообщает Гарвардский институт Висса, недавние прорывы в методах 3D-биопечати приблизили исследователей к воспроизведению сложной структуры и функций сосудистой сети человека, потенциально совершив революцию в трансплантации органов и тестировании лекарств.
Методы 3D-печати
Для создания искусственных кровеносных сосудов было разработано несколько инновационных методов 3D-печати:
- Биопечать на основе экструзии использует насыщенные клетками биочернила для создания сосудистых структур с точным контролем над размещением клеток.
- При полимеризации в чане используется фотополимеризация для послойного формирования сосудов.
- 3D-печать льдом, новый подход, использует ледяные шаблоны, встроенные в желатин, для формирования сосудов, похожих на каналы, которые могут включать эндотелиальные клетки.
- Метод co-SWIFT, разработанный в Гарварде, использует сопло «ядро-оболочка» для печати многослойных сосудов с оболочками на основе коллагена и ядрами на основе желатина, точно имитируя архитектуру естественных кровеносных сосудов.
Эти методы предлагают различную степень точности и сложности при воспроизведении сложных структур сосудистой сети человека, открывая путь для более продвинутых приложений тканевой инженерии.
Проблемы репликации
Воспроизведение сложной структуры естественных кровеносных сосудов представляет собой серьезную проблему для технологий 3D-печати. Создание капилляров диаметром 5–8 мкм остается серьезным препятствием, поскольку нынешнее разрешение печати часто недостаточно для точного воспроизведения этих микроскопических структур.
Кроме того, точное регулирование размеров сосудов и расчет углов разветвления для имитации естественных сосудистых сетей создают постоянные трудности.
Сложность естественной сосудистой сети простирается не только на размер и структуру, но и на функциональность. Обеспечение правильной динамики кровотока, диффузии питательных веществ и клеточных взаимодействий внутри напечатанных сосудов имеет решающее значение для их жизнеспособности и интеграции с естественными тканями.
Исследователи работают над преодолением этих препятствий, улучшая разрешение печати, разрабатывая более сложные биочернила и совершенствуя методы создания бесшовных, разветвленных сетей, которые могут поддерживать выживание клеток за пределами текущих ограничений диффузии кислорода на расстоянии 100-200 мкм.
Материалы и биосовместимость
Выбор биосовместимых материалов имеет решающее значение для успешной 3D-печати кровеносных сосудов.
Природные полимеры, такие как коллаген, гиалуроновая кислота и децеллюляризованный внеклеточный матрикс, часто используются в биочернилах для имитации механических свойств нативных сосудов и поддержания жизнеспособности клеток.
Альгинат и плюроник F127 стали основными расходными материалами для создания искусственных сосудистых трансплантатов. Эти биоматериалы должны поддерживать адгезию, пролиферацию и дифференцировку клеток, обеспечивая при этом правильную диффузию питательных веществ и удаление отходов.
Исследователи постоянно работают над улучшением биосовместимости и возможности печати этих материалов, чтобы повысить функциональность и долговечность спроектированных кровеносных сосудов.
Приложения и будущие направления
Искусственные кровеносные сосуды, созданные с помощью 3D-печати, обладают огромным потенциалом для революции в трансплантации органов и тестировании лекарств.
Эти сосуды могут быть интегрированы в выращенные в лаборатории органы, что потенциально сократит время ожидания для пациентов, нуждающихся в трансплантации.
Кроме того, они предлагают платформу для тестирования воздействия лекарств на кровеносные сосуды, что позволяет использовать подходы персонализированной медицины, при которых собственные клетки пациента могут использоваться для прогнозирования реакции на лекарства.
Будущие исследования направлены на улучшение разрешения и скорости печати, а также выбор материалов для улучшения производства сложных сосудистых сетей.
Ученые также работают над созданием самособирающихся сетей капилляров и интеграцией их с сетями кровеносных сосудов, напечатанными на 3D-принтере, чтобы более полно воспроизводить сосуды человека в микромасштабе, что в конечном итоге повышает функциональность выращенных в лаборатории тканей.