Клапаны сердца, напечатанные на 3D-принтере: каркасы, созданные с помощью электрозаписи расплава, предназначены для поддержки образования новых тканей.
Исследователи разработали искусственные сердечные клапаны, напечатанные на 3D-принтере, которые позволяют собственным клеткам пациента формировать новую ткань. Чтобы сформировать эти каркасы с помощью электрозаписи расплавом — передовой технологии аддитивного производства — команда создала новую производственную платформу, которая позволяет им комбинировать различные точные, индивидуальные шаблоны и, следовательно, точно настраивать механические свойства каркаса. Их долгосрочной целью является создание имплантатов для детей, которые развиваются в новую ткань и, следовательно, служат всю жизнь.
В организме человека четыре сердечных клапана обеспечивают движение крови в правильном направлении. Важно, чтобы сердечные клапаны открывались и закрывались правильно. Для выполнения этой функции ткань сердечного клапана является гетерогенной, а это означает, что сердечные клапаны демонстрируют разные биомеханические свойства в пределах одной и той же ткани.
Группа исследователей, работающая с Петрой Мела, профессором медицинских материалов и имплантатов в Техническом университете Мюнхена (TUM), и профессором Еленой Де-Хуан Пардо из Университета Западной Австралии, впервые имитировала этот разнородный материал. структура с использованием процесса 3D-печати, называемого электрозаписью расплава. Для этого они разработали платформу, которая позволяет печатать точные индивидуальные шаблоны и их комбинации, что позволило им точно настроить различные механические свойства в рамках одного и того же каркаса .
Электрозапись расплава позволяет создавать точные и индивидуальные каркасы из волокна.
Электрозапись расплава — это относительно новая технология аддитивного производства, в которой используется высокое напряжение для создания точных узоров из очень тонких полимерных волокон. Полимер нагревается, плавится и выталкивается из печатающей головки в виде струи жидкости для формирования волокон.
Во время этого процесса прикладывается электрическое поле высокого напряжения , которое значительно сужает диаметр полимерной струи, ускоряя ее и притягивая к коллектору. В результате получается тонкое волокно с диаметром обычно в диапазоне от пяти до пятидесяти микрометров. Кроме того, электрическое поле стабилизирует полимерную струю, что важно для создания четких и четких рисунков.
«Запись» волоконной струи по заданным шаблонам осуществляется с помощью управляемого компьютером движущегося коллектора. Подобно перемещению ломтика хлеба под ложкой, с которой капает мед, движущаяся платформа собирает появляющееся волокно по определенному пути. Пользователь указывает этот путь, программируя его координаты.
Чтобы значительно сократить усилия по программированию, связанные с созданием сложных структур сердечных клапанов, исследователи разработали программное обеспечение, позволяющее легко назначать различные паттерны различным областям каркаса, выбирая из библиотеки доступных паттернов. Кроме того, геометрические характеристики, такие как длина, диаметр и толщина лесов, можно легко настроить с помощью графического интерфейса.
Каркасы сердечных клапанов совместимы с клетками и биоразлагаемы.
Команда использовала медицинский поликапролактон (PCL) для 3D-печати, который совместим с клетками и биоразлагаем. Идея состоит в том, что после имплантации PCL-сердечных клапанов собственные клетки пациента будут расти на пористом каркасе, как это было в случае первых исследований клеточных культур. Затем клетки потенциально могут образовать новую ткань до того, как PCL-каркас деградирует.
Каркас PCL встроен в эластиноподобный материал, который имитирует свойства природного эластина, присутствующего в настоящих сердечных клапанах, и обеспечивает микропоры меньшего размера, чем поры структуры PCL. Цель состоит в том, чтобы оставить достаточно места для оседания клеток, но при этом закрыть клапаны надлежащим образом для кровотока.
Спроектированные клапаны были протестированы с использованием модели системы кровообращения, моделирующей физиологические кровяное давление и поток. Клапаны сердца правильно открывались и закрывались в исследуемых условиях.
Наночастицы позволяют визуализировать с помощью МРТ
Материал PCL был доработан и оценен вместе с Францем Шиллингом, профессором биомедицинского магнитного резонанса, и Соней Беренсмайер, профессором инженерии биоразделения в ТУМ. Модифицируя PCL сверхмалыми суперпарамагнитными наночастицами оксида железа , исследователи смогли визуализировать каркасы с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Модифицированный материал остается пригодным для печати и совместимым с клетками. Это может облегчить перенос технологии в клиники, поскольку таким образом можно будет контролировать каркасы после имплантации.
«Наша цель — разработать биоинспирированные сердечные клапаны, которые поддерживают формирование новой функциональной ткани у пациентов. Дети особенно выиграют от такого решения, поскольку имеющиеся сердечные клапаны не растут вместе с пациентом и, следовательно, должны заменяться в течение многих лет в несколько раз. Наши сердечные клапаны, напротив, имитируют сложность нативных сердечных клапанов и предназначены для того, чтобы собственные клетки пациента проникали в каркас», — говорит Петра Мела.
Следующим шагом на пути в клинику станут доклинические исследования на животных моделях. Команда также работает над дальнейшим совершенствованием технологии и разработкой новых биоматериалов. Результаты их текущего исследования опубликованы в Advanced Functional Materials.
Теги: биотехнологии, имплант, киборг, МРТ
