Plaster na serce? Dzięki nowej metodzie druku 3D to i wiele więcej jest możliwe

Próbując opracować materiały przypominające życie, które miały zastąpić i naprawić części ludzkiego ciała, naukowcy stoją przed ogromnym wyzwaniem: prawdziwe tkanki są często mocne i rozciągliwe, a także różnią się kształtem i rozmiarem.

Zespół kierowany przez CU Boulder we współpracy z badaczami z Uniwersytetu Pensylwanii wykonał kluczowy krok w kierunku złamania tego kodu. Opracowali nowy sposób drukowania materiałów 3D, które są jednocześnie wystarczająco elastyczne, aby wytrzymać ciągłe bicie serca, wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać miażdżące obciążenie stawów i łatwo można je kształtować, aby dopasować się do unikalnych wad pacjenta.

Co więcej, łatwo przykleja się do wilgotnej tkanki.

Ich przełom opisano w wydaniu czasopisma z 2 sierpnia Naukapomaga utorować drogę nowej generacji biomateriałów, od bandaży wewnętrznych dostarczających leki bezpośrednio do serca po plastry na chrząstkę i szwy bezigłowe.

„Tkanki serca i chrząstki są podobne pod tym względem, że mają bardzo ograniczoną zdolność do samonaprawy. Kiedy ulegną uszkodzeniu, nie ma odwrotu” – powiedział starszy autor Jason Burdick, profesor inżynierii chemicznej i biologicznej w Instytucie BioFrontiers na Uniwersytecie Kalifornijskim w Boulder. „Opracowując nowe, bardziej odporne materiały w celu usprawnienia procesu naprawy, możemy mieć duży wpływ na pacjentów”.

Robaki „plamki” jako inspiracja

Historycznie rzecz biorąc, urządzenia biomedyczne były tworzone poprzez formowanie lub odlewanie – techniki, które dobrze sprawdzały się w przypadku masowej produkcji identycznych implantów, ale były niepraktyczne, jeśli chodzi o personalizację tych implantów dla konkretnych pacjentów. W ostatnich latach druk 3D otworzył świat nowych możliwości zastosowań medycznych, umożliwiając naukowcom wytwarzanie materiałów o wielu kształtach i strukturach.

W przeciwieństwie do typowych drukarek, które po prostu nakładają atrament na papier, drukarki 3D nakładają warstwę po warstwie tworzyw sztucznych, metali, a nawet żywych komórek, tworząc wielowymiarowe obiekty.

Jeden konkretny materiał, znany jako hydrożel (materiał, z którego wykonane są soczewki kontaktowe), jest ulubionym materiałem do wytwarzania sztucznych tkanek, narządów i implantów.

Jednak dostarczenie ich z laboratorium do kliniki było trudne, ponieważ tradycyjne hydrożele drukowane w 3D mają tendencję do pękania pod wpływem rozciągania, pękania pod ciśnieniem lub są zbyt sztywne, aby uformować się wokół tkanek.

„Wyobraźcie sobie, że do serca przyklejony jest sztywny plastik. Nie odkształcałby się on w miarę bicia serca” – powiedział Burdick. – To by się po prostu złamało.

Aby uzyskać zarówno wytrzymałość, jak i elastyczność hydrożeli drukowanych w 3D, Burdick i jego współpracownicy wzięli przykład z robaków, które wielokrotnie splatają się i rozplątują wokół siebie, tworząc trójwymiarowe „krople robaków”, które mają zarówno właściwości stałe, jak i płynne. Poprzednie badania wykazały, że włączenie podobnie splecionych łańcuchów cząsteczek, zwanych „splątaniami”, może zwiększyć ich wytrzymałość.

Ich nowa metoda drukowania, znana jako CLEAR (od ciągłego utwardzania po ekspozycji na światło wspomaganej inicjacją Redox), składa się z szeregu etapów mających na celu splątanie długich cząsteczek w materiałach drukowanych w 3D, podobnie jak w przypadku splecionych robaków.

Kiedy zespół rozciągnął i obciążył te materiały w laboratorium (jedna z badaczek przejechała nawet próbkę na rowerze), odkrył, że są one wykładniczo twardsze niż materiały wydrukowane standardową metodą druku 3D znaną jako cyfrowe przetwarzanie światła (DLP). . Co więcej: dopasowywały się i przylegały do ​​tkanek i narządów zwierząt.

„Możemy teraz drukować w 3D materiały samoprzylepne, które są wystarczająco mocne, aby mechanicznie podtrzymywać tkankę” – powiedział współautor Matt Davidson, pracownik naukowy w Burdick Lab. „Nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie tego zrobić”.

Rewolucyjna pielęgnacja

Burdick wyobraża sobie dzień, w którym takie drukowane w 3D materiały będą mogły zostać wykorzystane do naprawy wad serca, dostarczania leków regenerujących tkanki bezpośrednio do narządów lub chrząstek, ograniczania wybrzuszonych krążków międzykręgowych, a nawet zszywania ludzi na sali operacyjnej bez powodowania uszkodzeń tkanek niczym igła i szew może.

Jego laboratorium złożyło wniosek o tymczasowy patent i planuje wkrótce rozpocząć dalsze badania, aby lepiej zrozumieć, jak tkanki reagują na obecność takich materiałów.

Zespół podkreśla jednak, że ich nowa metoda może mieć wpływ daleko poza medycynę – także na badania i produkcję. Na przykład opracowana przez nich metoda eliminuje potrzebę stosowania dodatkowej energii do utwardzania lub utwardzania części, dzięki czemu proces drukowania 3D jest bardziej przyjazny dla środowiska.

„Jest to prosta metoda przetwarzania 3D, którą ludzie mogliby ostatecznie wykorzystać we własnych laboratoriach akademickich, a także w przemyśle, aby poprawić właściwości mechaniczne materiałów do szerokiej gamy zastosowań” – powiedział pierwszy autor Abhishek Dhand, badacz z Burdick Lab i doktorant na Wydziale Bioinżynierii Uniwersytetu Pensylwanii. „To rozwiązuje duży problem związany z drukiem 3D”.

Inni współautorzy artykułu to Hannah Zlotnick, badaczka ze stopniem doktora w Burdick Lab oraz naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST), Thomas Kolibaba i Jason Killgore.