Імпортовані механічні системи надрукували з гідрогелю

Вчені з Інженерної школи Колумбійського університету Нью-Йорка розробили технологію тривимірного друку мікромеханізмів з гідрогелів. Такі механізми можуть бути імплантовані в живий організм і використовуватися для адресної та дозованої доставки ліків. Робота дослідників опублікована в, а короткий її виклад наводить Robohub. Перевагою нових гідрогелевих механізмів є їх повна біосумісність. При цьому механізми можна контролювати ззовні.

Сьогодні існує вже велика кількість різних імплантатів. Мова йде як про складних водіїв серцевого ритму і кардіовертерів-дефібриляторів, так і про більш прості системи автоматичного вивільнення ліків. При цьому якщо прості імплантати з проникливою для ліку стінкою можуть без обмежень встановлюватися пацієнтам, різні електронні імплантати мають лише часткову біосумісність і можуть використовуватися обмежено. Зокрема, в таких пристроях можуть стояти біонесумісні елементи живлення.

Нові механічні пристрої, які можна друкувати з гідрогелів, є повністю біосумісними. Під час лабораторних досліджень вчені з Колумбійського університету використовували перевірені і схвалені Управлінням з контролю за продуктами і ліками США гідрогелі на основі поліетиленгліколю. З цих гідрогелів вчені надрукували мальтійський механізм із зовнішнім зачепленням, що дозволяє реалізувати переривчастий рух.

Для друку корпусу і шестірньої використовувався гідрогель PEG-400 з високими показниками твердості, а кріплення самих шестеренок були надруковані з еластичного PEG-10k. У гідрогель, з якого друкувалася провідна шестерня, вчені додали частинки магнітного заліза (таке використовується як контрастна речовина при медичних дослідженнях). Додавання магнітного заліза дозволило обертати провідну шестірню за допомогою магніту.

Для друку механізмів з гідрогелю використовувався спеціальний екструдер з мікромембраною, що дозволяє викладати шари товщиною кілька мікрометрів. Розроблений дослідниками пристрій тонким шаром наносить гідрогель на предметне скло. Після формування шару на нього накладається світлозахисна маска, через яку за допомогою світла полімеризуються потрібні ділянки гідрогелю. Після закінчення друку рідкий гідрогель прибирають або за допомогою тонкої голки, або за допомогою фільтрувального паперу.

Під час лабораторних досліджень розробники провели випробування мальтійського механізму з гідрогелю на миші, якою підсадили клітини людської остеосаркоми. У місці, де підсаджені клітини дали явно промацувані пухлини, вчені потім вживили мальтійський механізм, в якому в кожному з шести секторів відомої шестерні містилися невеликі дози доксорубіцину. Цей препарат використовується в хіміотерапії остеосаркоми. Другий миші з остеосаркомою робили звичайні ін'єкції доксорубіцину.

За підсумками експерименту, що тривав десять днів, дослідники з'ясували, що локальна доставка доксорубіцину за допомогою мальтійського механізму з гідрогелю показала кращий терапевтичний ефект, ніж звичайна ін'єкція препарату. При цьому необхідна доза для місцевої доставки виявилася в десять разів меншою, ніж звичайне дозування при хіміотерапії доксорубіцином. Обертання провідної шестерні, один повний обіг якої повертав ведену на 60 градусів, проводилося ззовні за допомогою магніту.

Дослідники також відзначили, що мікромеханізми з гідрогелю не вимагають вилучення після використання, оскільки зазвичай повністю розчиняються в організмі за 30 днів. Використання різних складів гідрогелів дозволяє контролювати механічні властивості кінцевої конструкції. Завдяки цьому можна створювати надійні обертові або згорнуті механізми. Додавання біосумісних домішок у гідрогелі дозволяє контролювати їх ззовні за допомогою магнітного поля, світла або слабких електричних імпульсів.

Наприкінці 2015 року дослідники з Делаверського університету представили новий пептидний гідрогель, в'язкістю якого можна керувати за допомогою амінокислоти та ультрафіолету. Такі якості, на думку розробників, дозволять використовувати його в мікрохірургії, наприклад, для з'єднання капілярів. У звичайному стані гідрогель являє собою тягучу речовину. За допомогою шприца з тонкою голкою його можна вводити в просвіт розрізаної судини. При цьому речовина заповнює просвіт, не даючи стінкам тонкої судини або капіляра злипнутися.

Завдяки в'язкості речовини судини зберігають свій просвіт, а їх кінці можна точно позиціонувати один відносно одного. Після завершення з'єднання кінців судин і їх скріплення гідрогель слід опромінювати ультрафіолетом. Під впливом випромінювання фотоактивований пептид розпадається, а гідрогель втрачає в'язкість. В результаті цього кров'яний потік змиває його залишки з русла, а просвіт судини повністю відновлюється.