Добавки к чернилам для биопринтера позволили проследить за насыщением клеток кислородом

Ученые из Германии и Дании создали материал для 3D-печати, содержащий в себе живые клетки, а также наночастицы, позволяющие отслеживать концентрацию кислорода и изучать метаболизм клеток. Статья опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Помимо классических 3D-принтеров, печатающих пластиком или металлом, существуют и биопринтеры, использующие материалы с живыми клетками. С их помощью ученые создают прототипы искусственных органов, которые в будущем надеются использовать для пересадки людям. Например, недавно таким способом создали искусственную роговицу. Кроме того, печать материалами, содержащими живые клетки, удобна для изучения некоторых биологических процессов, таких как рост тканей вокруг имплантатов.

Несмотря на то, что уже создано немало принтеров и материалов для печати клетками, пока эта область находится на этапе становления и имеет множество нерешенных проблем. К примеру, существующими методами сложно создавать объемные конструкции, потому что из-за отсутствия кровеносных сосудов искусственные ткани получают достаточно кислорода только на расстоянии нескольких сотен микрометров. Кроме того, в объемных конструкциях сложно изучать поведение клеток и их выживаемость.

Группа исследователей по руководством Михаэля Куля (Michael Kühl) из Копенгагенского университета создала новые чернила для 3D-печати живыми клетками, содержащие наночастицы, которые позволяют отслеживать уровень насыщения кислородом в любой точке напечатанного объекта. Основу материала составляет гидрогель из воды и часто используемых для таких задач альгината натрия и метилцеллюлозы. Отличие созданного Кулем и коллегами материала от других заключается именно в наночастицах для отслеживания уровня кислорода. Они имеют размер около 100-200 нанометров и содержат два флуоресцентных вещества-маркера, одно из которых чувствительно к кислороду и испускает красное флуоресцентное излучение, а второе лишено такой чувствительности и испускает зеленое излучение.

Перед началом экспериментов с клетками исследователи определили зависимость излучения от концентрации кислорода. Оказалось, что интенсивность флуорецентного излучения чувствительного к кислороду вещества нелинейно падает при увеличении уровня кислорода. Ученые создали простую установку, в которой в контролируемой атмосфере находится напечатанный объект, а над ним располагаются светодиод для облучения и камера, регистрирующая флуоресцентное излучение от объекта. После получения данных с камеры компьютер может по соотношению красного и зеленого излучения от веществ-маркеров рассчитать концентрацию кислорода и построить карту ее распределения по образцу.

Исследователи провели множество экспериментов на различных 3D-печатных структурах, содержащих клетки зеленых микроводорослей (Chlorella sorokiniana) и мезенхимальные стволовые клетки человека. Они подтвердили пригодность метода для изучения распределения кислорода внутри напечатанных объектов с живыми клетками, причем с необычными конфигурациями, к примеру, несколькими слоями с разными клетками.

Между тем, на Международную космическую станцию вскоре отправится российский магнитный биопринтер, конструкция которого адаптирована для печати в условиях микрогравитации. Мы узнали у разработчиков этого принтера с какими трудностями они столкнулись при его создании, а также что позволит изучать первый орбитальный магнитный биопринтер, и рассказали об этом в материале «Космическая оргонавтика».

Григорий Копиев