Наночастицы стали основой фотосшиваемых «чернил» для 3D-печати имплантатов
Современная тканевая инженерия позволяет восстанавливать достаточно большие дефекты различных тканей человека — мышечной, костной, соединительной и других. Для этого применяются имплантаты на основе комбинаций клеток пациента и специальных материалов, служащих им трехмерной подложкой, — скаффолдов. Материалы для последних в идеале должны иметь структуру и характеристики, близкие к таковым у природного внеклеточного матрикса, а еще быть биоактивными, то есть содержать на своей поверхности молекулы, с которыми клетки могут связаться и получить сигнал о миграции, прикреплении, делении и дифференцировке. Некоторые материалы, например, на основе коллагена, уже обладают такими участками, тогда как к другим их можно прикрепить. Еще одно преимущество — биорезорбируемость, то есть разрушение в организме, что полезно, когда по мере восстановления клетки сами начнут синтезировать межклеточное вещество, и в искусственном уже не будет необходимости. Если соблюдены все эти требования, скаффолд может стать тем самым строительным лесом, на котором клетки создадут полноценную функциональную ткань.
Коллектив ученых из Санкт-Петербургского университета, Института высокомолекулярных соединений РАН и Университета Ганновера разработал новую технологию 3D-печати материалов для тканевой инженерии путем фотосшивания частиц полилактата и нанокристаллической целлюлозы (они выступили «чернилами» для принтера). Эти вещества химически модифицировали, навесив на них остатки метакрилата с двойными связями, которые затем могут вступать в радикальную реакцию полимеризации, запускаемую ультрафиолетом в присутствии фотоинициатора.
Главное преимущество использования наночастиц состоит 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.
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.