3D-биопечать с контролем
Международная группа исследователей под руководством профессора Михаэля Куля (Michael Kuhl) из университета Копенгагена опубликовала результаты работы, которые можно назвать прорывом в области трехмерной биопечати. Совместно с немецкими коллегами из технического университета Дрездена группа профессора Куля разработала гелеподобный материал, который можно использовать для печати сложных структур наподобие биопленок и тканей, в состав которых входят живые клетки и химические сенсоры, обеспечивающие мониторинг метаболизма клеток.
В настоящее время трехмерная печать уже широко применяется для производства предметов из пластика, металла и других материалов. Аналогичным образом для трехмерной печати можно использовать живые клетки, погруженные в биосовместимые гелеобразные материалы (биочернила). Сейчас такая биопечать стремительно развивается как направление биомедицинских исследований. В качестве примера можно привести культивирование стволовых клеток в трехмерных каркасах, воспроизводящих сложную структуру костей и хрящей. К сожалению, существующие технологии не позволяют без нарушения целостности конструкции отслеживать такие параметры, как метаболическая активность и достаточность снабжения кислородом клеток, растущих на достаточно крупных каркасах.
Полученная с помощью трехмерной биопечати структура, содержащая зеленые водоросли (Chlamydomonas) в гидрогеле.
Авторы предлагают решение проблемы в виде разработанных ими биочернил, в состав которых входят люминесцирующие наночастицы, чувствительные к кислороду. Под действием голубого света наночастицы возбуждаются и начинают люминесцировать красным светом, интенсивность которого обратно пропорциональна локальной концентрации кислорода – чем больше кислорода, тем слабее люминесценция. Специальная камера позволяет визуализировать распределение интенсивности свечения и, соответственно, концентрации кислорода в созданных с помощью биопечати живых структурах и проводить мониторинг динамики изменения этих показателей, не разрушая конструкцию.
Важно отметить, что добавление наночастиц не изменяет механических свойств биочернил, что позволяет избежать стрессового воздействия на клетки и их гибели в процессе печати. Более того, разработчикам удалось добиться того, что наночастицы не подавляют функциональность клеток и в целом не оказывают влияния на их жизнедеятельность.
Они уже продемонстрировали возможность применения своего подхода для мониторинга фотосинтеза и дыхания микроводорослей, а также дыхания стволовых клеток в полученных с помощью биопечати структурах, состоящих из одного или нескольких типов клеток.
Схема процесса трехмерной биопечати с использованием функционализированных биочернил и примеры изменения окраски при разных концентрациях кислорода.
Авторы заинтересованы в развитии других областей применения нового подхода к биопечати, например, микробиологии и биофотоники, где трехмерная биопечать уже используется для изучения бактериальных взаимодействий и фотобиологических процессов.
Статья Erik Trampe et al. Functionalized Bioink with Optical Sensor Nanoparticles for O2 Imaging in 3D-Bioprinted Constructs опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Faculty of Science – University of Copenhagen: 3D bioprinting of living structures with built-in chemical sensors.