Rašalas, užpildytas pluoštu, leidžia plakti 3D atspausdintam širdies raumeniui

Kat J. McAlpine / SEAS Communications

Per pastarąjį dešimtmetį pažanga 3D spausdinimo srityje atvėrė naujas galimybes bioinžinieriams kurti širdies audinius ir struktūras. Jų tikslai yra sukurti geriau in vitro platformos, skirtos atrasti naujus širdies ligų gydymo būdus, kurie yra pagrindinė mirties priežastis Jungtinėse Valstijose, atsakingi už maždaug vieną iš penkių mirčių nacionaliniu mastu, ir naudojant 3D atspausdintus širdies audinius, siekiant įvertinti, kurie gydymo būdai geriausiai tinka atskiriems pacientams. Tolesnis tikslas yra pagaminti implantuojamus audinius, kurie galėtų išgydyti arba pakeisti pažeistas ar sergančias struktūras paciento širdyje.

Straipsnyje, paskelbtame m Gamtos medžiagosmokslininkai iš Harvardo Johno A. Paulsono inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokyklos (SEAS) ir Wyss biologiškai įkvėptos inžinerijos instituto Harvardo universitete praneša apie naujo hidrogelio rašalo, užpilto želatinos pluoštais, sukūrimą, leidžiantį 3D spausdinti funkcinį širdies skilvelį, imituoja plakimą kaip žmogaus širdis. Jie atrado, kad pluoštu infuzuotas gelis (FIG) rašalas leidžia širdies raumens ląstelėms, atspausdintoms skilvelio pavidalu, išsilyginti ir plakti koordinuotai kaip žmogaus širdies kamera.

„Žmonės bandė atkartoti organų struktūras ir funkcijas, kad išbandytų vaistų saugumą ir veiksmingumą, kad būtų galima numatyti, kas gali nutikti klinikinėje aplinkoje“, – sako Suji Choi, SEAS mokslinis bendradarbis ir pirmasis šio straipsnio autorius. Tačiau iki šiol vien 3D spausdinimo metodais nepavyko pasiekti fiziologiškai reikšmingo kardiomiocitų – ląstelių, atsakingų už koordinuotą elektros signalų perdavimą, kad susitrauktų širdies raumenys, – išlyginimo.

„Pradėjome šį projektą siekdami pašalinti kai kuriuos biologinių audinių 3D spausdinimo trūkumus.

– Kevinas „Kit“ Parkeris

Naujovė slypi skaidulų pridėjimui į spausdinamąjį rašalą. „FIG rašalas gali tekėti per spausdinimo antgalį, tačiau atspausdinus struktūrą jis išlaiko savo 3D formą“, – sako Choi. „Dėl šių savybių pastebėjau, kad įmanoma atspausdinti į skilvelį panašią struktūrą ir kitas sudėtingas 3D formas nenaudojant papildomų atraminių medžiagų ar pastolių.

Šiame vaizdo įraše parodytas spontaniškas 3D atspausdinto širdies raumens plakimas. Kreditas: Harvardo SEAS.

Siekdamas sukurti rašalą FIG, Choi panaudojo sukamąją purkštuko sukimo techniką, sukurtą mokslų daktaro Kevino „Kit“ Parkerio laboratorijoje. kuri gamina mikropluošto medžiagas naudojant metodą, panašų į cukraus vatos verpimo būdą. Podoktorantūros tyrėjas ir Wyss Lumineer Luke’as MacQueenas, šio straipsnio bendraautorius, pasiūlė idėją, kad pluoštai, sukurti naudojant rotacinio srauto sukimo techniką, gali būti pridedami prie rašalo ir spausdinami 3D. Parkeris yra Wyss asocijuotas fakulteto narys ir Tarr šeimos bioinžinerijos ir taikomosios fizikos profesorius SEAS.

„Kai Lukas sukūrė šią koncepciją, vizija buvo išplėsti erdvinių mastelių, kurias būtų galima spausdinti 3D spausdintuvais, diapazoną, išleidžiant apatinę dalį iš apatinių ribų ir sumažinant ją iki nanometrų skalės“, – sako Parkeris. „Skaidulų gamybos naudojant rotacinį verpimą, o ne elektrinį verpimą“ – įprastesnį itin plonų pluoštų generavimo metodą – pranašumas yra tas, kad galime naudoti baltymus, kurie kitu atveju būtų suardomi dėl elektrinių laukų.

Naudodamas sukamąją srovę želatinos pluoštams sukti, Choi pagamino medžiagos lakštą, panašią į medvilnę. Tada ji panaudojo sonifikaciją – garso bangas – kad tą lakštą suskaldytų į maždaug 80–100 mikrometrų ilgio ir maždaug 5–10 mikrometrų skersmens pluoštus. Tada ji išsklaidė tuos pluoštus į hidrogelio rašalą.

„Ši koncepcija yra plačiai taikoma – galime naudoti savo pluošto verpimo techniką, kad patikimai pagamintume norimų ilgių ir formų pluoštus.

– Suji Choi

Sunkiausias aspektas buvo trikčių šalinimas norimu pluoštų ir hidrogelio santykiu, kad būtų išlaikytas pluošto išlygiavimas ir bendras 3D spausdintos struktūros vientisumas.

Kol Choi spausdino 2D ir 3D struktūras naudodamas FIG rašalą, kardiomiocitai išsirikiavo kartu su rašalo viduje esančių skaidulų kryptimi. Valdydamas spausdinimo kryptį, Choi galėjo kontroliuoti, kaip širdies raumens ląstelės išsilygintų.

Audinių inžinerijos būdu sukurtas 3D skilvelio modelis. Kreditas: Harvardo SEAS

Kai ji taikė elektrinę stimuliaciją 3D atspausdintoms struktūroms, pagamintoms naudojant FIG rašalą, ji nustatė, kad ji sukėlė koordinuotą susitraukimų bangą, suderintą su tų skaidulų kryptimi. Skilvelio formos struktūroje „buvo labai įdomu matyti, kaip kamera iš tikrųjų pumpuojasi panašiai kaip tikri širdies skilveliai“, – sako Choi.

Eksperimentuodama su daugiau spausdinimo krypčių ir rašalo formulių, ji pastebėjo, kad gali sukurti dar stipresnius susitraukimus į skilvelį panašiose formose.

„Palyginti su tikrąja širdimi, mūsų skilvelio modelis yra supaprastintas ir sumažintas“, – sako ji. Šiuo metu komanda stengiasi sukurti daugiau gyvybės širdies audinių su storesnėmis raumenų sienelėmis, kurios galėtų stipriau pumpuoti skystį. Nepaisant to, kad 3D atspausdintas skilvelis nėra toks stiprus kaip tikras širdies audinys, jis gali pumpuoti 5–20 kartų daugiau skysčių nei ankstesnės 3D spausdintos širdies kameros.

Komanda teigia, kad ši technika taip pat gali būti naudojama širdies vožtuvams, dviejų kamerų miniatiūrinėms širdims ir kt.

„FIG yra tik vienas įrankis, kurį sukūrėme priedų gamybai“, – sako Parkeris. „Tęsdami siekį kurti žmogaus audinius regeneracinei terapijai, kuriame kitus metodus. Tikslas nėra būti valdomais įrankiais – ieškodami geresnio būdo sukurti biologiją, esame įrankių agnostikai.

Papildomi autoriai: Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T. Pu ir Andreasas Bauschas.

Šį darbą rėmė SEAS; Nacionalinis mokslo fondas per Harvardo universiteto Medžiagų tyrimų mokslo ir inžinerijos centrą (DMR-1420570, DMR-2011754); Nacionaliniai sveikatos institutai ir Nacionalinis vertimo mokslų tobulinimo centras (UH3HL141798, 225 UG3TR003279); Harvardo universiteto nanomastelio sistemų centras (CNS), Nacionalinio nanotechnologijų koordinuotos infrastruktūros tinklo (NNCI), kurį remia Nacionalinis mokslo fondas, narys (ECCS-2025158, S10OD023519); ir Amerikos chemijos draugijos Irvingo S. Sigalo doktorantūros stipendijos.

• POPIERIUS – Pluoštu infuzuoti gelio karkasai nukreipia kardiomiocitų išlygiavimą 3D atspausdintuose skilveliuose. Suji Choi, Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Luke A. MacQueen, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T. Pu, Andreas R. Bausch ir Kevin Kit Parker. Nat. Mater. 22, 1039–1046 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01611-3