Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали метод лечения травм путем 3D-печати твердых и мягких тканей одновременно. Используя два типа биочернил, ученые смогли за минуты запечатать отверстия в черепах и коже подопытных крыс.
Проблема тяжелых травм
После любой операции на мозге важно “запечатать” входное отверстие в голове пациента. Отверстие в черепе нуждается в новом кусочке кости. Костную ткань приходится либо срезать с другого места на теле пациента, либо заимствовать у умершего донора. Само собой, поврежденная кожа над отверстием также нуждается в ремонте.
Технология 3D-печати может помочь с восстановлением. В последние годы ученые много экспериментировали с “биопечатью” живых клеток, создавая разнообразные ткани - кожу, органы и кости. Но все становится гораздо сложнее, если травма затрагивает сразу несколько типов тканей. В своем новом исследовании команда ученых из Университета штата Пенсильвания решила это исправить.
“Не существует хирургического метода одновременного восстановления мягких и твердых тканей. Вот почему мы стремились продемонстрировать технологию, с помощью которой мы сможем восстановить сразу весь дефект - от кости до эпидермиса”, - говорит Ибрагим Озболат, автор исследования
Как это работает?
Биочернила, применяемые для создания кости и кожи, имеют разную консистенцию. Потому технология предполагает объединение двух разных способов биопечати. Твердая ткань печатается методом экструзии (продавливание вязкого материала через формующее отверстие), а мягкая ткань наносится в виде капель.
Чернила твердой ткани команды состоят из коллагена, хитозана, наногидроксиапатита и нескольких других соединений. Но самый главный компонент - мезенхимальные стволовые клетки, которые со временем и превращаются в костную ткань. Чернила выдавливаются при комнатной температуре, но вскоре прогреваются до температуры тела.
Чернила мягких тканей печатаются слоями. Коллаген и фибриноген чередуются с соединениями, которые усиливают склеивание и рост ткани.
Между костью и кожей наносится барьерный слой, который предотвращает просачивание клеток кожи в кость.
В первых лабораторных тестах ученые практиковались в печати каждым типом биочернил по отдельности. И лишь потом перешли к процедуре, объединяющей оба метода. В ходе одной хирургической операции команде удалось “запечатать” отверстие в черепе и коже на голове живой крысы. “Биопринтеру потребовалось менее пяти минут, чтобы уложить костный слой и мягкие ткани”, - говорит Озболат.
Команда провела 50 подобных операций. Тесты показали, что мягкие ткани на месте “заплатки” восстанавливаются на 100% в течение четырех недель. А вот скорость восстановления костной ткани при такой комплексной печати несколько замедляется. Когда ученые экспериментировали с биочернилами костной ткани отдельно, рана за шесть недель зарастала на 80%. Но в паре с мягкой тканью костная ткань регенерировала всего на 50% за тот же период.
Команда считает, что исправить ситуацию можно, если добавить к биочернилам соединения, стимулирующие образование кровеносных сосудов. Это улучшит кровоток в кости и, соответственно, ускорит ее заживление.
В ближайшем будущем ученые планируют перейти к экспериментам на более крупных животных.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
