Современная регенеративная медицина позволяет восстанавливать поврежденные ткани и органы. Один из главных методов для этого — 3D-биопечать, с помощью которой можно создавать конструкции, замещающие утраченные участки тела. Но для такой печати нужны особые материалы — гидрогели. Одним из основных компонентов класса гидрогелей является коллаген. Зачастую для этого используется коллаген крупного рогатого скота, однако это может вызвать отторжение, аллергию и риск передачи инфекций. В качестве альтернативы мировые ученые рассматривают коллаген, выделяемый из морских организмов — медуз и рыб. Однако на сегодняшний день исследований в этой области немного: неизвестно, как именно из этого сырья создавать стабильный гидрогель. Ученые Пермского Политеха и Балтийского федерального университета им. И. Канта исследовали коллаген медузы, семги, сельди и салаки и впервые в России разработали рецептуру гидрогеля. Это позволит создавать материалы для биопечати из отходов рыбной промышленности, что сделает их производство дешевле и доступнее.
3D-печать образца гидрогеля. Источник: пресс-служба ПНИПУ
Статья опубликована в сборнике «Механика биомедицинских материалов и устройств».
Регенеративная медицина и тканевая инженерия являются одними из приоритетных направлений современной биомедицины, которые занимаются восстановлением поврежденных тканей и органов человека. Вместо традиционных протезов или донорских трансплантатов здесь создаются живые конструкции, способные замещать утраченные участки тела и интегрироваться с организмом. Один из самых перспективных методов в этой области — 3D-биопечать, которая позволяет формировать объекты сложной геометрии, точно повторяющие анатомию конкретного пациента.
Однако широкое клиническое внедрение 3D-биопечати сегодня ограничено отсутствием материалов, которые в полной мере отвечали бы необходимым требованиям. Они должны обладать биосовместимостью, обеспечивать жизнеспособность клеток, иметь достаточную механическую прочность для формирования сложных структур и быть доступными для промышленного производства. Потребность в подобных материалах возрастает в связи с увеличением продолжительности жизни, ростом травматизма и развитием реконструктивной хирургии.
В качестве «чернил» при этом используются гидрогели — вязкие материалы, которые хорошо удерживают заданную форму и после затвердевания создают структуру, похожую на естественные ткани организма. Их производят на основе материалов природного происхождения — коллагена, желатина, альгината.
Традиционным источником коллагена для биомедицинских применений служит сырье крупного рогатого скота и свиней. Этот материал хорошо изучен и доступен, но его применение связано с серьезными рисками. Он может вызывать у человека отторжение и аллергические реакции, а также несет риски передачи инфекций. Альтернативой мог бы стать искусственный коллаген, но его производство сегодня остается сложным и дорогостоящим.
В поисках безопасной и выгодной альтернативы научное сообщество обратило внимание на морские организмы. Коллаген, выделяемый из медуз и рыб, обладает более низкой иммуногенностью, то есть не вызывает отторжение, меньшим риском аллергических реакций, а получать его можно из отходов рыбной промышленности, что решает сразу две задачи — утилизацию биомассы и создание ценного медицинского сырья.
Однако использовать такой коллаген на практике непросто, поскольку он неоднороден по своим свойствам. В зависимости от вида сырья различаются его вязкость, текучесть, способность застывать в нужную форму. Для каждого типа такого материала приходится подбирать свою рецептуру и строго индивидуальные параметры печати. Без систематического изучения этих характеристик невозможно добиться воспроизводимых результатов и предсказуемого поведения материала в организме.
Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Балтийского федерального университета им. И. Канта исследовали гидрогели на основе коллагена морских организмов. Они не просто синтезировали новый материал, а впервые в России подобрали индивидуальные параметры 3D-биопечати, превратив отходы рыбной промышленности в материалы для тканевой инженерии.
– Для приготовления гидрогелей использовался коллаген, выделенный из медузы, семги, сельди и салаки. Их выбрали из-за широкой распространенности в российских морях, что в дальнейшем обеспечит доступность сырья. Кроме того, такой коллаген представляет интерес в силу его высокой биосовместимости, а также он структурно близок к коллагену человека, — рассказала Юлия Куликова, старший научный сотрудник БФУ им. Канта.
Хотя химический состав такого сырья изучался ранее, его пригодность для 3D-биопечати до настоящего времени системно не исследовалась. Основным компонентом получаемого гидрогеля стал коллаген выбранных организмов, растворенный в уксусной кислоте. Ученые также добавили альгинат натрия (порошок из морских водорослей) и создали несколько вариантов биочернил. Они меняли соотношения компонентов, чтобы определить наилучшее сочетание.
— На следующем этапе для каждого типа гидрогеля мы индивидуально подбирали параметры 3D-биопечати. Изготовление образцов из полученного коллагена выполнялось на биопринтере. В ходе тестовой печати мы меняли скорость подачи материала и температуру, что позволило определить оптимальные режимы для разного сырья. Критериями выбора служили равномерность нанесения, сохранение формы после застывания и способность материала к формированию многослойных структур, что важно для создания объемных имплантатов. В результате для каждого гидрогеля были установлены параметры, при которых печать происходит стабильно и без дефектов, — рассказала Дарья Спорышева, лаборант-исследователь научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
Для каждой рецептуры были напечатаны и исследованы тестовые образцы прямоугольной формы. Исследователи изготовили также решетчатые варианты, чтобы проверить способность материала к формированию сложных незамкнутых структур, которые имитируют естественную пористость живых тканей.
После отверждения образцов ученые провели их механические испытания, при которых оценивали упругость и прочность. Результат показал, что наилучшими свойствами обладал гидрогель на основе коллагена медузы. Кроме того, именно этот материал оказался наиболее технологичным при приготовлении: он легче замешивался и обеспечивал более стабильное нанесение по сравнению с гидрогелями на основе рыбьего коллагена.
— Основным результатом исследования стало то, что для каждого из выбранных видов сырья мы определили индивидуальные параметры 3D-печати. Нам удалось сформировать как однослойные объекты простой геометрии, так и многослойные конструкции, что подтверждает пригодность полученных режимов для печати объектов различной сложности, — дополнил Михаил Ташкинов, доктор физико-математических наук, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
Следующим этапом станет исследование процесса разрушения материалов с течением времени. Понимание того, как быстро и при каких условиях напечатанный каркас будет замещаться собственными тканями организма, является ключевым фактором для медицинского применения разработанных биочернил.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ
