Российские ученые создают гидрогели для 3D-биопечати из морских организмов

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета и Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта разработали рецептуру гидрогеля с высокой биосовместимостью, подходящего для применения в регенеративной медицине и тканевой инженерии.

Один из самых перспективных методов в области регенеративной медицины и тканевой инженерии — 3D-биопечать, позволяющая формировать объекты сложной геометрической формы, точно повторяющие анатомию конкретных пациентов. Широкое внедрение 3D-биопечати требует материалов, в полной мере отвечающих требованиям по биосовместимости, обеспечению жизнеспособности клеток, механической прочности для формирования сложных структур и доступности для промышленного производства. В качестве основы для таких материалов используются гидрогели, хорошо удерживающие заданную форму и после затвердевания формирующие структуры, похожие на естественные ткани. Гидрогели 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.

Использовать такой коллаген на практике непросто, поскольку он неоднороден по своим свойствам — вязкости, текучести, способности 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 национального исследовательского политехнического университета и Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта исследовали гидрогели на основе коллагена морских организмов и подобрали индивидуальные параметры 3D-биопечати, превратив отходы рыбной промышленности в материалы для тканевой инженерии, сообщает пресс-служба ПНИПУ.

«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 старшая научная сотрудница НОЦ «Промышленные биотехнологии» БФУ Юлия Куликова.

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, 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 лаборантка научно-исследовательской лаборатории механики биосовместимых материалов и устройств ПНИПУ Дарья Спорышева.

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, имитирующих пористость живых тканей.

После отверждения образцов ученые провели испытания на упругость и прочность и определили, что наилучшими свойствами обладал гидрогель на основе коллагена медузы. Этот же материал оказался наиболее технологичным: он легче замешивался и обеспечивал более стабильное нанесение в сравнении 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», — рассказал заведующий научно-исследовательской лабораторией механики биосовместимых материалов и устройств ПНИПУ Михаил Ташкинов.

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.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru