Харчовий барвник допоміг надрукувати штучні судини і легеневі альвеоли

Вчені з'ясували, що звичайний харчовий барвник, який отримують з чорниці, може допомогти зіграти ключову роль у тривимірному друку геометрично складних біологічних тканин, наприклад судин і легеневих альвеол. Автори статті, опублікованої в журналі, надрукували з гідрогелю складні структури і переконалися в експериментах з трансплантацією, що живі клітини можуть жити в них.

Розробникам, що займаються 3D-друком штучних тканин і органів, доводиться вирішувати проблему виготовлення аналогів кровоносних судин і дихальних шляхів. Надзвичайно складна тривимірна мережа судин оплітає, наприклад, альвеоли в легенях - велика поверхня необхідна, щоб підвищити швидкість і ефективність газообміну, насичення крові киснем. Складно влаштовані клапани і мембрани присутні і в самих судинах, наприклад, у венах, де вони перешкоджають зворотному струму крові. Заплутані тривимірні структури майже неможливо надрукувати звичайним методом післяйної 3D-друку.

Щоб вирішити це завдання був розроблений метод стереолітографії. У цьому випадку в спеціальну ємність наливається світлочутлива сировина. Вузький промінь ультрафіолетового випромінювання проходить по поверхні рідини і змушує її застигати в потрібних місцях, після чого виріб трохи занурюється в рідину і процес повторюється. Ця технологія дозволяє друкувати (тобто переводити в тверду фазу) великі площі і друкувати мільйони вокселів (тривимірний аналог пікселя) за один крок.

Зазвичай друкуюча ультрафіолетова головка «малює» об'єкт в горизонтальній площині, рухаючись по координатах x і y, а за вісь z відповідає світлопоглинаючі покриття, які не дають матеріалу відвердіти, там де це не потрібно. Проблема, проте в тому, що застосовувані для цього поглинаючі добавки, такі, наприклад, як Судан I, володіють мутагенною і канцерогенною дією, і не можуть використовуватися для виробництва штучних біологічних тканин.

Баграт Григорян (Bagrat Grigoryan) з університету Райса в Х'юстоні і його колеги вирішили підібрати таку поглинаючу речовину, яка дозволяла б використовувати стереолітографію для друку складних біологічних структур і при цьому не була б токсичною.

Вчені проаналізували оптичні властивості ряду сполук, які використовуються в промисловості в якості харчових барвників, і виявили, що три з них цілком підходять на роль фотопоглотителів: це синтетичний жовтий барвник тартразин (індекс E102), жовтий натуральний барвник куркумін (E100) і червоно-фіолетовий барвник антоціан (E163), який отримують з чорниці. Крім того, як поглинач підійшли біосумісні наночастинки золота.

Вчені провели серію експериментів, в ході яких надрукували з гідрогелю штучну кровоносну посудину з клапанами діаметром 1 міліметр. Всі три типи барвників і наночастинки золота забезпечили прийнятну якість друку. Однак куркумін гірше тартразину вимивався з судини після завершення друку, а наночастинки золота могли заважати досліджувати структуру за допомогою флуоресцентної мікроскопії, тому в подальших експериментах автори дослідження використовували тільки тартразин.

На наступному етапі вчені зробили з гідрогелю складну геометричну структуру: посудину яка по спіралі охоплювала кільце, а потім спорудили штучну легеневу альвеолу - «мішок», оплетений сіткою судин.

Крім того, вчені переконалися, що структури, надруковані з гідрогелю, можна дійсно використовувати для створення штучних органів. Для цього вони створили невеликий «лабіринт» зі штучних судин, який заселили фібробластами легенів людини, клітинами дихальних шляхів і стовбуровими клітинами. Клітини залишалися життєздатними протягом декількох тижнів.

На останній стадії вони провели експерименти на мишах: вони надрукували з гідрогелю структуру, заселену гепатоцитами мишей і окремо клітинний агрегат з одного шару тих же клітин. Потім їх трансплантували мишам з печінковою недостатністю. Через 14 днів після трансплантації клітини штучної печінки залишалися життєздатними і «працювали».

Раніше вчені надрукували життєздатні органи, змогли вмістити 3D-принтер у надрукованій ялинковій іграшці, навчилися програмувати матеріали під час 4D-друку і перетворили харчову добавку на сировину для принтера. Детальніше про різні «чорнила» для тривимірного друку читайте в нашому матеріалі «Чай, титан і шоколад».