Исследователи из Германии и Австралии напечатали на 3D-принтере искусственные сердечные клапаны, которые позволяют собственным клеткам пациента формировать новую ткань, сообщает Мюнхенский технический университет. Результаты работы представлены в журнале Advanced Functional Materials.
В организме человека четыре сердечных клапана обеспечивают движение крови в правильном направлении. Важно, чтобы сердечные клапаны открывались и закрывались соответствующим образом. 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.
Ученые впервые сымитировали эту гетерогенную структуру с помощью специального процесса 3D-печати – melt electrowriting. Для этого они разработали платформу, которая позволяет комбинировать различные точные, индивидуальные шаблоны и, следовательно, точно настраивать механические свойства каркаса. В перспективе исследователи хотят создать имплантаты для детей, которые развиваются в новую ткань и, следовательно, служат всю жизнь.
Технология melt electrowriting — 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. Метод позволяет создавать точные и индивидуальные каркасы из волокна.
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 от пяти до пятидесяти микрометров. Кроме того, электрическое поле стабилизирует полимерную струю, что важно для создания четких рисунков.
«Запись» волоконной струи по заданным шаблонам осуществляется с помощью управляемого компьютером движущегося коллектора. Движущаяся платформа собирает появляющееся волокно по определенному пути. Пользователь указывает этот путь, программируя его координаты. Программное обеспечение позволяет легко задавать различные узоры разным областям каркаса, выбирая из библиотеки доступных узоров. Кроме того, геометрические характеристики, такие как длина, диаметр и толщина каркаса, можно легко настроить с помощью графического интерфейса.
Для каркасов команда использовала медицинский поликапролактон (PCL) для 3D-печати, который совместим с клетками и биоразлагаем. Идея состоит в том, что после имплантации сердечных клапанов PCL собственные клетки пациента будут расти на пористом каркасе. Затем клетки потенциально могут образовать новую ткань до того, как PCL-каркас разрушится.
Каркас PCL встроен в эластиноподобный материал, который имитирует свойства природного эластина, который есть в настоящих сердечных клапанах, и обеспечивает микропоры меньшего размера, чем поры структуры PCL.Так остается достаточно места для оседания клеток, но при этом клапаны закрываются надлежащим образом для кровотока.
Кроме того, исследователи усовершенствовали PCL, добавив к ним сверхмалые суперпарамагниты – наночастицы оксида железа. Так команда смогла 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.
Спроектированные клапаны были протестированы с помощью модели системы кровообращения, воспроизводящей физиологические кровяное давление и поток. Клапаны сердца правильно открывались и закрывались.
[Фото: Andreas Heddergott / TUM]
