Разработана новая технология 3D-печати биологических тканей, которая стала возможна благодаря исследованиям магнитной левитации в условиях невесомости. В перспективе разработка поможет создавать чувствительные к радиации биологические конструкции и восстанавливать поврежденные ткани и органы человека. В основу технологии легли результаты экспериментальных исследований, поддержанные грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в журнале Biofabrication. Кратко о них рассказывает пресс-релиз РНФ.
Существует множество методов трехмерной биопечати. Большинство из них использует некоторый каркас, на который слой за слоем наносятся клетки биологической ткани. Полученный объемный материал затем отправляется в инкубатор, где продолжается выращивание. Существуют способы, в которых биологические объекты создаются без применения каркаса, например магнитный биопринтинг, когда клеточный материал направляется в нужное место с помощью магнитных полей. В таком случае клетки необходимо каким-то образом помечать магнитными наночастицами.
Ученые из компании 3D BioprintingSolutions совместно с другими российскими и зарубежными коллегами разработали новый метод биопринтинга, который позволяет создавать трехмерные биологические объекты без использования каркаса и магнитных меток. Разработка этого метода стала возможна благодаря исследованиям ученых из Объединенного института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН).
Процесс трехмерной самосборки в «магнитной яме». Источник: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication, 2018
«В период с 2010 по 2017 год на борту Российского сегмента Международной космической станции выполнен цикл уникальных экспериментальных исследований на установке «Кулоновский кристалл». Основным элементом установки является электромагнит, создающий специфическое неоднородное магнитное поле, в котором в условиях микрогравитации могут формироваться структуры из диамагнитных частиц (которые намагничиваются против направления магнитного поля)», — рассказал один из авторов исследования, Михаил Васильев, заведующий лабораторией диагностики пылевой плазмы ОИВТ РАН.
Сотрудники ОИВТ РАН в рамках своего экспериментального исследования описали, как ведут себя мелкие заряженные частицы, помещенные в магнитное поле специальной формы в условиях микрогравитации, то есть в невесомости. Помимо этого, ученые составили математическую модель этого процесса на основе методов молекулярной динамики. Благодаря этим результатам стало понятно, как можно получать однородные и протяженные трехмерные структуры из тысяч частиц.
Ранее существовавшие методики управления биопечатью с помощью магнитных полей имели ряд ограничений, связанных с гравитацией. Чтобы уменьшить влияние гравитационных сил, можно увеличить мощность магнитов, контролирующих магнитное поле, однако, это значительно усложняет установку. Второй способ — уменьшить гравитацию. По этому пути и пошла группа ученых из компании 3D BioprintingSolutions. Новый метод получил название «формативная трехмерная биофабрикация», он позволяет создавать трехмерные биологические структуры не послойно, а сразу со всех сторон. Для управление формой таких объектов ученые использовали экспериментальные данные и результаты математического моделирования, полученные учеными ОИВТ РАН.
Фотографии полученных тканевых конструкций при различном увеличении. Источник: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication
«Результаты космического эксперимента «Кулоновский кристалл» по исследованию формирования пространственно-упорядоченных структур легли в основу нового метода для формативной трехмерной биофабрикации тканевых конструкций, осуществляемой методом программируемой самосборки живых тканей и органов в условиях земного притяжения и условиях микрогравитации посредством неоднородного магнитного поля», — добавил ученый.
Биопринтеры на основе новой технологии смогут создавать различные биологические конструкции, которые можно будет использовать, например, для оценки неблагоприятного действия космической радиации на здоровье космонавтов при длительных космических миссиях. Также, по заявлению авторов, в перспективе эта технология сможет восстанавливать функцию поврежденных тканей и органов.