Имплантируемые механические системы напечатали из гидрогеля

Ученые из Инженерной школы Колумбийского университета Нью-Йорка разработали технологию трехмерной печати микромеханизмов из гидрогелей. Такие механизмы могут быть имплантированы в живой организм и использоваться для адресной и дозированной доставки лекарств. Работа исследователей опубликована в Science Robotics, а краткое ее изложение приводит Robohub. Преимуществом новых гидрогелевых механизмов является их полная биосовместимость. При этом механизмы можно контролировать извне.

Сегодня существует уже большое количество различных имплантатов. Речь идет как о сложных водителях сердечного ритма и кардиовертерах-дефибриляторах, так и о более простых системах автоматического высвобождения лекарств. При этом если простые имплантаты с проницаемой для лекарства стенкой могут без ограничений устанавливаться пациентам, различные электронные имплантаты имеют лишь частичную биосовместимость и могут использоваться ограниченно. В частности, в таких устройствах могут стоять бионесовместимые элементы питания.

Новые механические устройства, которые можно печатать из гидрогелей, являются полностью биосовместимыми. Во время лабораторных исследований ученые из Колумбийского университета использовали проверенные и одобренные Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США гидрогели на основе полиэтиленгликоля. Из этих гидрогелей ученые напечатали мальтийский механизм с внешним зацеплением, позволяющий реализовать прерывистое движение.

Для печати корпуса и шестерней использовался гидрогель PEG-400 с высокими показателями твердости, а крепления самих шестеренок были напечатаны из эластичного PEG-10k. В гидрогель, из которого печаталась ведущая шестерня, ученые добавили частицы магнитного железа (такое используется в качестве контрастного вещества при медицинских исследованиях). Добавление магнитного железа позволило вращать ведущую шестерню с помощью магнита.

Для печати механизмов из гидрогеля использовался специальный экструдер с микромембраной, позволяющий выкладывать слои толщиной несколько микрометров. Разработанное исследователями устройство тонким слоем наносит гидрогель на предметное стекло. После формирования слоя на него накладывается светозащитная маска, через которую с помощью света полимеризуются нужные участки гидрогеля. По окончании печати оставшийся жидким гидрогель убирают либо с помощью тонкой иглы, либо с помощью фильтровальной бумаги.

Во время лабораторных исследований разработчики провели испытания мальтийского механизма из гидрогеля на мыши, которой подсадили клетки человеческой остеосаркомы. В место, где подсаженные клетки дали явно прощупываемые опухоли, ученые затем вживили мальтийский механизм, в котором в каждом из шести секторов ведомой шестерни содержались небольшие дозы доксорубицина. Этот препарат используется в химиотерапии остеосаркомы. Второй мыши с остеосаркомой делали обычные инъекции доксорубицина.

По итогам эксперимента, длившегося десять дней, исследователи выяснили, что локальная доставка доксорубицина с помощью мальтийского механизма из гидрогеля показала лучший терапевтический эффект, чем обычная инъекция препарата. При этом необходимая доза для местной доставки оказалась в десять раз меньше, чем обычная дозировка при химиотерапии доксорубицином. Вращение ведущей шестерни, один полный оборот которой поворачивал ведомую на 60 градусов, производилось извне с помощью магнита.

Исследователи также отметили, что микромеханизмы из гидрогеля не требуют извлечения после использования, поскольку обычно полностью растворяются в организме за 30 дней. Использование различных составов гидрогелей позволяет контролировать механические свойства конечной конструкции. Благодаря этому можно создавать надежные вращающиеся или сгибающиеся механизмы. Добавление же биосовместимых примесей в гидрогели позволяет контролировать их извне с помощью магнитного поля, света или слабых электрических импульсов.

В конце 2015 года исследователи из Дэлаверского университета представили новый пептидный гидрогель, вязкостью которого можно управлять при помощи аминокислоты и ультрафиолета. Такие качества, по мнению разработчиков, позволят использовать его в микрохирургии, например, для соединения капилляров. В обычном состоянии гидрогель представляет собой тягучее вещество. При помощи шприца с тонкой иглой его можно вводить в просвет разрезанного сосуда. При этом вещество заполняет просвет, не давая стенкам тонкого сосуда или капилляра слипнуться.

Благодаря вязкости вещества сосуды сохраняют свой просвет, а их концы можно точно позиционировать друг относительно друга. После завершения соединения концов сосудов и их скрепления гидрогель следует облучить ультрафиолетом. Под воздействием излучения фотоактивируемый пептид распадается, а гидрогель теряет вязкость. В результате этого кровяной поток смывает его остатки из русла, а просвет сосуда полностью восстанавливается.

Василий Сычёв