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.
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