Создание искусственных органов превратили в тетрис

Тайваньские ученые разработали универсальную платформу для создания сложных трехмерных гидрогелевых конструкций, функционально схожих с биологическими структурами или представляющих собой метаматериалы с новыми свойствами. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Трехмерные гидрогелевые биологические ткани или метаматериалы создаются из сшитых между собой разнородных структурных элементов (микрогелей), в которые встроены функциональные частицы или молекулы. Для производства микрогелей с заданной структурой и свойствами используют различные методы, такие как эмульсионная полимеризация, микроформовка, фотолитография, микрожидкостная сборка и другие. Все эти методы имеют ограничения, связанные либо с формой и материалом получающихся микрогелей, либо со сложностью или дороговизной расходных материалов и оборудования. Дальнейшая сборка структурных элементов в трехмерный функциональный гидрогель также представляет сложности: самосборка практически не применима к архитектурам из разнородных элементов, ручная сборка трудоемка, а роботизированная требует высокоточного оптического или магнитного управления микророботами.

Сотрудники Национального университета Цзяо Тун и Национального тайваньского университета разработали электромикрожидкостную платформу, в которой создание микрогелей разного состава и последующая их сборка в гидрогель происходят в жидкой среде и управляются электросмачиванием (оно направляет заряженную жидкость к электроду с подходящим покрытием) и диэлектрофорезом (он вызывает движение незаряженных частиц или живых клеток под действием неоднородного электрического поля).

Для этого материалы с разными свойствами (дисперсные частицы, растворимые молекулы, живые клетки и другие) помещаются в резервуары, смешиваются с растворителем, содержащим полимеризуемую основу геля и краситель, дозируются и с помощью сети электродов помещаются в определенный участок платформы и удерживается в нем. Разнонаправленное действие электросмачивания и диэлектрофореза позволяет в соответствии с заданной программой управлять расположением капель материалов на платформе, перемещать их (как при игре в тетрис или пятнашки) изменять их форму и структуру и смешивать друг с другом. При достижении заданной конфигурации капли материалов отверждаются светом заданной частоты с образованием плоских микрогелей размером 1×1х0,1 миллиметра.

Затем микрогели располагают в нужной конфигурации в один или несколько слоев (расстояние между верхней и нижней стенками платформы составляет 0,3 миллиметра) и сшивают их в итоговую гидрогелевую архитектуру.

Разработанная платформа позволяет манипулировать объектами разных размеров (от микрометровых функциональных частиц до миллиметровых микрогелей), в разных фазах (жидкой и твердой) и с разными свойствами (проводники или диэлектрики, сшиваемые светом, химически или температурой).

В качестве демонстрации возможностей платформы ее разработчики сфабриковали с ее помощью гидрогелевый аналог сердечной мышцы из живых кардиомиоцитов (сердечных мышечных клеток) и фибробластов (клеток соединительной ткани). За 48 часов клетки сформировали кластеры, которые спонтанно сокращались с частотой от 73 до 91 удара в минуту (это соответствует нормальному ритму сердца без регуляции вегетативной нервной системой). Причем доля кардиомиоцитов составляла более 50 процентов против 27,8 процента на стандартном многолуночном планшете с питательной средой.

Как пишут разработчики, они ожидают, что их электромикрожидкостная платформа станет общеупотребительной методикой создания сложных трехмерных гидрогелевых конструкций, в том числе искусственных органов.

Над разработкой технологий создания искусственных органов как с целью проведения экспериментов, так и для имплантации пациентам работают многие коллективы. Так, например, недавно ученые из Гарварда напечатали на 3D-принтере сердечную мышцу, которая сама регистрирует свои сокращения. О том, как создаются искусственные органы, можно почитать в нашем материале.

Олег Лищук