Новые технологии в медицине – заживление ран на коже с помощью 3D-биопринтера

В Университете Торонто разработан портативный 3D-биопринтер, для заживления поверхностных ран и ожогов. Устройство рассчитано на мобильное использование и в снаряженном состоянии весит менее килограмма. 

Первые испытания производились на подопытных животных. Они показали, что всего за 2-3 минуты принтер может наложить на кожу приживляемую заплату размером 20х40 мм. Применяемые материалы приготовлены на коллагеновой основе и по своей структуре очень напоминают натуральную кожу. 

Технологическая методика и материалы

В конструкции принтера установлены три подающих шприца. Два из них наполняют суспензией клеток в гидрогелевом растворе, а в третий закачивают особый раствор, который обеспечивает поперечные связи между наносимыми слоями и способствует превращению биополимерного раствора в гель. 

Материалы, поступая из шприцов смешиваются образуя особые биочернила, содержащие фибропласт человека – аналог естественных клеток соединительной ткани организма. Их наносят на обрабатываемую поверхность параллельными полосами с бесклеточными пропусками, создавая слои, как при сетчатой эпитериальной пересадке кожи. Толщина каждого последующего слоя 0,1-0,6 мм. 

Микрофлюидный картридж 

Основной элемент нового 3D-биопринтера это микрофлюидный картридж изготовленный из экологически чистого полупрозрачного полимера. Он был разработан специально для этого устройства и обеспечивает одновременное поперечное распределение двух растворов через микроканалы, расположенные в разных плоскостях. Технология обработки предусматривает подачу биочернил через выходные отверстия 8, 14 и 20 мм. 

Подготовка подложки 

Подложку приготавливают из 2% раствора агарозы в деионизированной воде, нагревая его микроволновым излучением до температуры 60°C. Нагретый раствор выливают в стерильные чашки Петри и охлаждают. В результате образуется гелевый слой толщиной 3 мм, застывающий при комнатной температуре за полчаса.

Способы приготовления биочернил

Канадские исследователи разработали три технологии приготовления биочернил для различных слоев кожи:

Для альгинативных коллагеновых пластов: 

альгинат натрия добавили в раствор среды для культивирования клеток DMEM и 20 ммоль/л ГЭПЭС и отфильтровали полученное,

заранее подготовленный, используя для этого NaOH;

два полученных раствора смешали, чтобы получить концентрат 2% альгината и 5 мг/мл коллагена первого типа.

Для дермального слоя:

в сольфатно-солевом буферном растворе PBS растворили 5% фиброген, в режиме умеренного помешивания на протяжении двух часов;

так же в PBS растворили 1% гиалуроновой кислоты;

полученные составы смешали в равных соотношениях, а потом отфильтровали, пропуская его микрофильтр;

в сольфатно-солевом буферном растворе сбалансировали коллаген до рН 7 и смешали его с отфильтрованным раствором.

В результате был получен материал с концентрацией 1,25% фиброгена, 0,25% гиалуроновой кислоты и 0,25% коллагена. Готовый раствор так же держали в охлажденном состоянии на льду до применения.

Биочернила для эпидермального слоя были приготовлены по аналогичной предудущим способам технологии с целью получения концентрированного раствора с содержанием 2,5% фиброгена и 0,25% гиалуроновой кислоты. 

Полученные результаты служат стимулом для дальнейших исследований 

Команда разработчиков из Торонто надеется, что новый 3D-биопринтер найдет свое применение для эффективного лечения ожогов и механических повреждений кожи в клинических и даже полевых условиях. Сейчас пройден первый этап испытаний, но исследовательские работы продолжаются.