Коллектив ученых из Санкт-Петербургского университета, Института высокомолекулярных соединений РАН и Университета Ганновера разработал новую технологию 3D-печати материалов для тканевой инженерии путем фотосшивания наночастиц. Разработка позволит выйти на новый уровень имплантирования.
Современная тканевая инженерия позволяет восстанавливать достаточно большие дефекты различных тканей человека — мышечной, нервной, соединительной и других. Для этого применяются имплантаты на основе комбинаций стволовых клеток из тканей пациента и специальных материалов, необходимых для обеспечения трехмерного роста клеток. Точный подбор этих элементов для конкретного пациента позволяет достичь высокой биосовместимости имплантатов с человеческим телом и использовать их для замещения участков поврежденной ткани, а иногда даже для внутренних органов. Материалы, используемые для создания подобных индивидуальных имплантатов, называются скаффолды (от англ. scaffold — строительные леса). На скаффолде располагают биологический материал: клетки и специальные биомолекулы — белки или пептиды, способствующие прикреплению, размножению и функционированию клеток). Таким образом, клетки на скаффолде, как рабочие на строительных лесах, воспроизводят полноценную живую ткань человеческого тела и замещают ей поврежденную.
«Мы использовали суспензии наночастиц и с их помощью напечатали скаффолды на 3D-принтере. Испытания на клетках in vitro показали достаточную механическую прочность этих материалов, а также их биосовместимость», — пояснил руководитель лаборатории биоматериалов СПбГУ, доцент СПбГУ (кафедра медицинской химии) Виктор Коржиков-Влах.
Как рассказал эксперт, главное преимущество использования наночастиц в том, что они, в отличие от массивных материалов, применяемых в трансплантологии, позволяют создавать структуры, подражающие сложноорганизованным биологическим тканям. Такие материалы необходимо использовать, когда структура имплантата должна быть неоднородна, как, например, человеческая кость, имеющая жесткую внешнюю и пористую внутреннюю структуру. Другой пример — контакты костной и хрящевой ткани, требующие восстановления после травмы.
В качестве «чернил» для 3D-печати скаффолдов химики СПбГУ использовали наночастицы на основе полимолочной кислоты, представляющей собой биоразлагаемый полимер, а также нанокристаллической целлюлозы. Объединить частицы в трехмерные структуры стало возможно за счет реакции фотосшивания — специального процесса образования ковалентных связей (так называемых сшивок) между частицами при облучении их ультрафиолетом.
По словам авторов исследования, «чернилами» также могут быть суспензии различных наночастиц, обладающих разной жесткостью, с применением нескольких печатающих головок 3D-принтера — это позволит создавать скаффолды, обладающие градиентом механических свойств. Кроме того, частицы можно модифицировать биологическими компонентами, которые будут распределяться в пространстве скаффолда при 3D-печати, таким образом создавая основу для формирования, например, кровеносных сосудов или межтканевых контактов.
Исследование выполнено с использованием инфраструктуры ресурсных центров Научного парка СПбГУ: «Магнитно-резонансные методы исследования», «Методы анализа состава вещества», «Развитие молекулярных и клеточных технологий», междисциплинарного ресурсного центра по направлению «Нанотехнологии».
Отметим, что сегодня в СПбГУ активно развивается направление разработки биоэлектронных протезов. Так, в конце 2022 года ученые Университета разработали новые нейронные имплантаты без металлов в составе.