Пищевой краситель помог напечатать искусственные сосуды и легочные альвеолы

Ученые выяснили, что обычный пищевой краситель, который получают из черники, может помочь сыграть ключевую роль в трехмерной печати геометрически сложных биологических тканей, например сосудов и легочных альвеол. Авторы статьи, опубликованной в журнале Science, напечатали из гидрогеля сложные структуры и убедились в экспериментах с трансплантацией, что живые клетки могут жить в них.

Разработчикам, занимающимся 3D-печатью искусственных тканей и органов, приходится решать проблему изготовления аналогов кровеносных сосудов и дыхательных путей. Чрезвычайно сложная трехмерная сеть сосудов оплетает, например, альвеолы в легких — большая поверхность необходима, чтобы повысить скорость и эффективность газообмена, насыщения крови кислородом. Сложно устроенные клапаны и мембраны присутствуют и в самих сосудах, например, в венах, где они препятствуют обратному току крови. Запутанные трехмерные структуры почти невозможно напечатать обычным методом послойной 3D-печати.

Чтобы решить эту задачу был разработан метод стереолитографии. В этом случае в специальную емкость наливается светочувствительное сырье. Узкий луч ультрафиолетового излучения проходит по поверхности жидкости и заставляет ее застывать в нужных местах, после чего печатаемое изделие немного погружается в жидкость и процесс повторяется. Эта технология позволяет печатать (то есть переводить в твердую фазу) большие площади и печатать миллионы вокселей (трехмерный аналог пикселя) за один шаг.

Обычно печатающая ультрафиолетовая головка «рисует» объект в горизонтальной плоскости, двигаясь по координатам x и y, а за ось z отвечает светопоглощающие покрытия, которые не дают материалу отвердеть, там где это не нужно. Проблема, однако в том, что применяемые для этого поглощающие добавки, такие, например, как Судан I, обладают мутагенным и канцерогенным действием, и не могут использоваться для производства искусственных биологических тканей.

Баграт Григорян (Bagrat Grigoryan) из университета Райса в Хьюстоне и его коллеги решили подобрать такое поглощающее вещество, которое позволяло бы использовать стереолитографию для печати сложных биологических структур и при этом не было бы токсичным.

Ученые проанализировали оптические свойства ряда соединений, которые используются в промышленности в качестве пищевых красителей, и обнаружили, что три из них вполне подходят на роль фотопоглотителей: это синтетический желтый краситель тартразин (индекс E102), желтый натуральный краситель куркумин (E100) и красно-фиолетовый краситель антоциан (E163), который получают из черники. Кроме того, в качестве поглотителя подошли биосовместимые наночастицы золота.

Ученые провели серию экспериментов, в ходе которых напечатали из гидрогеля искусственный кровеносный сосуд с клапанами диаметром 1 миллиметр. Все три типа красителей и наночастицы золота обеспечили приемлемое качество печати. Однако куркумин хуже тартразина вымывался из сосуда после завершения печати, а наночастицы золота могли мешать исследовать структуру с помощью флуоресцентной микроскопии, поэтому в дальнейших экспериментах авторы исследования использовали только тартразин.

На следующем этапе ученые сделали из гидрогеля сложную геометрическую структуру: сосуд который по спирали охватывал кольцо, а затем соорудили искусственную легочную альвеолу — «мешок», оплетенный сеткой сосудов.

Кроме того, ученые убедились, что структуры, напечатанные из гидрогеля, можно действительно использовать для создания искусственных органов. Для этого они создали небольшой «лабиринт» из искусственных сосудов, который заселили фибробластами легких человека, клетками дыхательных путей и стволовыми клетками. Клетки оставались жизнеспособными в течение нескольких недель.

На последней стадии они провели эксперименты на мышах: они напечатали из гидрогеля структуру, заселенную гепатоцитами мышей и отдельно клеточный агрегат из одного слоя тех же клеток. Затем их трансплантировали мышам с печеночной недостаточностью. Спустя 14 дней после трансплантации клетки искусственной печени оставались жизнеспособными и «работали».

Ранее ученые напечатали жизнеспособные органы, смогли уместить 3D-принтер в напечатанной елочной игрушке, научились программировать материалы во время 4D-печати и превратили пищевую добавку в сырье для принтера. Подробнее про разные «чернила» для трехмерной печати читайте в нашем материале «Чай, титан и шоколад».

Сергей Кузнецов