Канадский 3D-биопринтер печатает заплатки для глубоких ран на коже

Исследователи Университета Торонто разработали 3D-биопринтер, способный печатать полоски биоматериала для заживления глубоких ран на коже. Портативный девайс помещается в руку и весит 997 гр. Он может распечатать кожную «заплатку» шириной в 2 см за пару минут.

Испытания 3D-биопринтера проводились на крупных и мелких животных: для этого на коже животного вырезалась рана размером 20х40 мм, делалась подложка из агарозы, после чего наносился слой печатного биоматериала.

Материалы и методы

На рисунке выше показана схема, демонстрирующая процесс биопечати. Клетки суспендируются в гидрогелевом растворе. Затем ими наполняют один (или при необходимости несколько) шприцев. В еще одном шприце содержится раствор, образующий поперечные связи (на рисунке а показан синим). Этот раствор в умеренных условиях (т.е. при естественном pH и температуре тела) способствует превращению биополимерного раствора в гель.

После установки заправленных шприцев в ручной биопринтер биочернила наносятся как биологический материал или пласт ткани на чашку для культивирования или непосредственно на поверхность раны. Например, биочернила, содержащие фибробласт человека, можно равномерно распределить в дермальный слой толщиной 0,1 – 0,6 мм. Биочернила, содержащие кератиноциты, можно наносить параллельными полосами, разделёнными бесклеточными полосами, что напоминает сетчатую эпителиальную пересадку кожи.

Микрофлюидный картридж

Основная часть инструмента – микрофлюидный картридж из полупрозрачного полимера. Он был создан на 3D-принтере. Картридж обеспечивает равномерное поперечное распределение как минимум двух растворов в микроканальные сети, расположенные в отдельных плоскостях. В картридже есть выходные отверстия шириной 8, 14 и 20 мм.

Подготовка подложки из агарозы

Раствор 2% агарозы в деионизированной воде готовится путем нагрева микроволновым излучением. Раствор остужают до 60°C перед тем как вылить его на стерильные чашки Петри, что приводит к образованию гелевого слоя толщиной 3 мм. Гель затвердевает за 30 минут пребывания в комнатной температуре.

Подготовка биочернил

Исследователи приготовили биочернила с тремя разными составами.

1. Для альгинатных коллагеновых пластов: альгинат натрия растворили в растворе DMEM и 20 ммоль/л ГЭПЭС и отфильтровали при помощи 0,1 мкм шприцевого микрофильтра. Коллаген 1-го типа был сбалансирован до pH 7 при помощи 1 г/моль NaOH в фосфатно-солевом буферном растворе (PBS). Два исходных раствора смешали, чтобы в результате получить концентрацию 5 мг/мл коллагена 1-го типа и 2% альгината. Раствор держали на льду перед использованием.

2. Биочернила для дермального слоя: 5% фибриноген растворили при 37 °C в PBS при умеренном помешивании на протяжении 2 часов. 1% гиалуроновой кислоты растворили в PBS. Растворы смешали в пропорции 1:1, а затем отфильтровали. Раствор коллагена 1-го типа был сбалансирован при помощи NaOH до pH 7 и смешан с отфильтрованным раствором фибрина/гиалуроновой кислоты, чтобы в результате получить концентрацию из 1.25% фибриногена, 0.25% гиалуроновой кислоты, и 0.25% коллагена. Раствор держали на льду перед использованием.

3. Биочернила для эпидермального слоя: приготовлены с итоговой концентрацией 2.5% фибриногена и 0.25% гиалуроновой кислоты.

До и после нанесения чернил (рисунок f)

Команда разработчиков устройства надеется, что когда-нибудь их девайс будут использовать в клинических условиях, чтобы улучшить лечение ожогов и других сильных повреждений кожи.
Полный текст работы доступен по ссылке.

Похожее устройство создали корейские ученые еще в 2017 году. Это был 3D-биопринтер, который печатал биоматериал, сильно напоминающий по составу человеческую кожу, но стоимость такого материала была в 50 раз дешевле, чем у аналогов. Кожа создавалась на базе коллагенового материала и полипролактона и созревала две недели.

А ученые из Австралии создали 3D-печатную биоручку, которая способна печатать хрящевые ткани прямо на поврежденных участках организма: костях, сухожилиях или мыщцах. Биоматериал создавался из гидрогеля и стволовых клеток. Состав обрабатывался ультрафиолетовым облучением.