Создание искусственных органов превратили в тетрис
Олег Лищук, N+1
Тайваньские ученые разработали универсальную платформу для создания сложных трехмерных гидрогелевых конструкций, функционально схожих с биологическими структурами или представляющих собой метаматериалы с новыми свойствами. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances (Chiang et al., Constructing 3D heterogeneous hydrogels from electrically manipulated prepolymer droplets and crosslinked microgels).
Трехмерные гидрогелевые биологические ткани, или метаматериалы, создаются из сшитых между собой разнородных структурных элементов (микрогелей), в которые встроены функциональные частицы или молекулы. Для производства микрогелей с заданной структурой и свойствами используют различные методы, такие как эмульсионная полимеризация, микроформовка, фотолитография, микрожидкостная сборка и другие. Все эти методы имеют ограничения, связанные либо с формой и материалом получающихся микрогелей, либо со сложностью или дороговизной расходных материалов и оборудования. Дальнейшая сборка структурных элементов в трехмерный функциональный гидрогель также представляет сложности: самосборка практически не применима к архитектурам из разнородных элементов, ручная сборка трудоемка, а роботизированная требует высокоточного оптического или магнитного управления микророботами.
Сотрудники Национального университета Цзяо Тун и Национального тайваньского университета разработали электромикрожидкостную платформу, в которой создание микрогелей разного состава и последующая их сборка в гидрогель происходят в жидкой среде и управляются электросмачиванием (оно направляет заряженную жидкость к электроду с подходящим покрытием) и диэлектрофорезом (он вызывает движение незаряженных частиц или живых клеток под действием неоднородного электрического поля).
Для этого материалы с разными свойствами (дисперсные частицы, растворимые молекулы, живые клетки и другие) помещаются в резервуары, смешиваются с растворителем, содержащим полимеризуемую основу геля и краситель, дозируются и с помощью сети электродов помещаются в определенный участок платформы и удерживается в нем. Разнонаправленное действие электросмачивания и диэлектрофореза позволяет в соответствии с заданной программой управлять расположением капель материалов на платформе, перемещать их (как при игре в тетрис или пятнашки) изменять их форму и структуру и смешивать друг с другом. При достижении заданной конфигурации капли материалов отверждаются светом заданной частоты с образованием плоских микрогелей размером 1×1х0,1 миллиметра.
Фабрикация сложной гидрогелевой конструкции из разных материалов (обозначены W, R, B и G)
и их сочетаний (рис. из статьи в Science Advances).
Затем микрогели располагают в нужной конфигурации в один или несколько слоев (расстояние между верхней и нижней стенками платформы составляет 0,3 миллиметра) и сшивают их в итоговую гидрогелевую архитектуру.
Разработанная платформа позволяет манипулировать объектами разных размеров (от микрометровых функциональных частиц до миллиметровых микрогелей), в разных фазах (жидкой и твердой) и с разными свойствами (проводники или диэлектрики, сшиваемые светом, химически или температурой).
В качестве демонстрации возможностей платформы ее разработчики сфабриковали с ее помощью гидрогелевый аналог сердечной мышцы из живых кардиомиоцитов (сердечных мышечных клеток) и фибробластов (клеток соединительной ткани). За 48 часов клетки сформировали кластеры, которые спонтанно сокращались с частотой от 73 до 91 удара в минуту (это соответствует нормальному ритму сердца без регуляции вегетативной нервной системой). Причем доля кардиомиоцитов составляла более 50 процентов против 27,8 процента на стандартном многолуночном планшете с питательной средой.
Как пишут разработчики, они ожидают, что их электромикрожидкостная платформа станет общеупотребительной методикой создания сложных трехмерных гидрогелевых конструкций, в том числе искусственных органов.
Над разработкой технологий создания искусственных органов как с целью проведения экспериментов, так и для имплантации пациентам работают многие коллективы. Так, например, недавно ученые из Гарварда напечатали на 3D-принтере сердечную мышцу, которая сама регистрирует свои сокращения. О том, как создаются искусственные органы, можно почитать в нашем материале.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
28.10.2016