Новый шаг в развитии технологий 3D-печати может расширить область их применения

Результаты международного исследования, которые были опубликованы в научном журнале Nature Communications, указывают на то, что был разработан значительно более эффективный способ использования биосовместимых материалов с целью восстановления тканей человека. Сфокусировавшись на непростой проблеме восстановления хрящей, где требуется одновременно и гибкость, и механическая сила, исследователи испытали новую комбинацию напечатанного на 3-D принтере каркасного микроволокна и гидрогеля.

Протестированные композиты показали эластичность и прочность, свойственные тканям коленного сустава, так же как и способность поддерживать рост и перекрестное сшивание человеческих хрящевых клеток. Исследователи Мюнхенского технического университета надеются использовать данный метод в различных исследованиях в сфере проектирования мягких тканей, в том числе для реконструкции молочной железы и сердечных тканей.

Проектирование мягких тканей высоконагруженных хрящей
Софокусная лазерная микроскопия каскадной структуры, заполненной исходными человеческими мезенхимальными клетками.

Новый метод 3-D печати под названием расплавленное электроспиннинговое письмо (Melt Electrospinning Writing) сыграл основную роль, обеспечивая одновременно и пространство для роста клеток, и необходимую механическую жесткость. Данный метод обеспечивает гораздо большую свободу выбора дизайна каскадной структуры, что способствует лечению и росту новой ткани, объясняет профессор Дитмар В. Хутмахер, один из ведущих авторов проекта.

«Это позволяет нам более точно имитировать естественный природный способ построения коленных суставов», сообщает он, «что означает усиление гелевой капсулы – протеогликаны или, как в нашем случае, биосовместимого гидрогеля, сетью тонких волокон.» Поддерживающие волокна, созданные методом расплавленного электроспиннингового письма, являются предельно тонкими, около 5 микрометров в диаметре, что является двадцатикратным улучшением по сравнению с обычными методами.

Базируясь в Квинслендском технологическом университете в Австралии, профессор Хутмахер является старшим научным сотрудником Мюнхенского технического университета отдела специальных исследований. Его фокус-группа по регенеративной медицине возглавляется профессором Мюнхенского технического университета Арндтом Шиллингом, главой Отдела Исследования Пластической хирургии и Ручной Хирургии в университетской клинике «Рехтс дер Изар».

Многостороннее исследование универсальной технологии

Сотрудники, работающие совместно в Австралии, Германии, Нидерландах и Великобритании, владеют широким набором исследовательских инструментов, имеющих отношение к данному исследованию. Усилия, направленные на разработку, производство и механическое тестирование гидрогельных волоконных композитов были дополнены сравнениями с хрящевыми тканями лошадиного сустава, экспериментами по выращиванию клеток хрящевой ткани человека в искусственно созданной матрице и компьютерными симуляциями.

Все признаки указывают на то, что это исследование является, как осторожно отмечает Хутмахер, настоящим прорывом. Утвердив компьютерную модель гидрогельных волоконных композитов, исследователи используют ее, чтобы оценить множество различных вариантов возможных приложений. «Новый метод выглядит многообещающе не только в целях восстановления суставов, но и в других областях, таких как реконструкция молочной железы вследствие постопухольной мастэктомии или проектирование тканей сердца, причем усиленный волокнами гидрогель является критически важным элементом в процессах регенерации больших объемов тканей молочной железы, так же как и сердечных клапанов, которые подвергаются серьезным биомеханическим нагрузкам.

Профессор Хутмахер и его коллеги в Мюнхенском техническом университете – профессор Арндт Шиллинг, доктор наук и профессор Ян-Торстен Шанц и доктор Элизабет Бэлмайор уже планируют использовать метод, описанный в статье, опубликованной в научном журнале Nature Communications, для собственных исследований, посвященных разработке тканей молочных желез. Они также начали вести совместный проект, вместе с командой профессора Штефана Джокенхевеля и доктора Петулы Мелы, на базе Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена, посвященный разработке тканей сердечных клапанов.