Tokom poslednje decenije, napredak u 3D štampanju je otključao nove mogućnosti za bioinženjere da grade srčana tkiva i strukture. Njihovi ciljevi uključuju stvaranje boljih in vitro platformi za otkrivanje novih terapija za srčane bolesti, vodećeg uzroka smrti u Sjedinjenim Državama, odgovornih za otprilike jednu od svakih pet smrtnih slučajeva na nacionalnom nivou, i korišćenje 3D štampanih srčanih tkiva za procenu koji tretmani bi mogli da rade najbolje. kod pojedinih pacijenata.
Dalji cilj je da se proizvedu implantabilna tkiva koja mogu da izleče ili zamene neispravne ili bolesne strukture unutar srca pacijenta.
U radu objavljenom u Nature Materials . istraživači sa Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) izveštavaju o razvoju novog hidrogel mastila natopljenog želatinskim vlaknima koje omogućava 3D štampanje funkcionalne srčane komore koja imitira otkucaje poput ljudskog srca. Otkrili su da mastilo sa gelom natopljenim vlaknima (FIG) omogućava ćelijama srčanog mišića štampanim u obliku komore da se poravnaju i kucaju u koordinaciji poput komore ljudskog srca.
„Ljudi pokušavaju da repliciraju strukture i funkcije organa kako bi testirali bezbednost i efikasnost lekova kao način predviđanja šta bi se moglo dogoditi u kliničkom okruženju“, kaže Suji Choi, naučni saradnik u SEAS-u i prvi autor rada. Ali do sada, same tehnike 3D štampanja nisu bile u stanju da postignu fiziološki relevantno poravnanje kardiomiocita, ćelija odgovornih za koordinisani prenos električnih signala za kontrakciju srčanog mišića.
„Započeli smo ovaj projekat da bismo rešili neke od neadekvatnosti u 3D štampanju bioloških tkiva“, kaže Kevin „Kit“ Parker, profesor bioinženjeringa i primenjene fizike porodice Tar i šef grupe za biofiziku bolesti u SEAS-u i stariji autor.
Inovacija leži u dodavanju vlakana unutar mastila za štampanje. „FIG mastilo može da teče kroz mlaznicu za štampanje, ali kada se struktura odštampa, ona zadržava svoj 3D oblik“, kaže Čoi. „Zbog tih svojstava, otkrio sam da je moguće odštampati strukturu nalik ventrikulu i druge složene 3D oblike bez upotrebe dodatnih materijala za podršku ili skela.“
Da bi stvorio FIG mastilo, Choi je iskoristio tehniku centrifugiranja sa rotirajućim mlazom koju je razvila Parkerova laboratorija koja proizvodi materijale od mikrovlakana koristeći pristup sličan načinu na koji se prede šećerna vuna. Postdoktorski istraživač Luke MacKueen, koautor rada, predložio je ideju da se vlakna stvorena tehnikom rotacionog mlaznog predenja mogu dodati mastilu i 3D štampati.
„Kada je Luk razvio ovaj koncept, vizija je bila da se proširi opseg prostornih skala koje bi se mogle štampati 3D štampačima tako što bi se dno izbacilo iz donjih granica, spuštajući ga na nanometarsku skalu“, kaže Parker. „Prednost proizvodnje vlakana sa rotacionim mlaznim okretanjem umesto elektropredenja“—konvencionalnija metoda za generisanje ultratankih vlakana—„je u tome što možemo da koristimo proteine koji bi se inače razgradili električnim poljima u elektropredenju“.
Koristeći rotacioni mlaz za predenje želatinskih vlakana, Choi je proizveo list materijala sličnog izgledu pamuku. Zatim je koristila sonifikaciju — zvučne talase — da razbije taj list na vlakna duga oko 80 do 100 mikrometara i oko 5 do 10 mikrometara u prečniku. Zatim je raspršila ta vlakna u hidrogelno mastilo.
„Ovaj koncept je široko primenljiv – možemo da koristimo našu tehniku predenja vlakana da bismo pouzdano proizveli vlakna u dužinama i oblicima koje želimo“, kaže Choi. Najteži aspekt je bio rešavanje problema u željenom odnosu između vlakana i hidrogela u mastilu kako bi se održalo poravnanje vlakana i ukupni integritet 3D štampane strukture.
Dok je Choi štampao 2D i 3D strukture koristeći FIG mastilo, kardiomiociti su se poređali u tandemu sa smerom vlakana unutar mastila. Kontrolom pravca štampanja, Choi je stoga mogao da kontroliše kako će se ćelije srčanog mišića poravnati.
Kada je primenila električnu stimulaciju na 3D štampane strukture napravljene FIG mastilom, otkrila je da je pokrenula koordinisani talas kontrakcija u skladu sa smerom tih vlakana. U strukturi u obliku komore, „bilo je veoma uzbudljivo videti kako komora zapravo pumpa na sličan način kao što prave srčane komore pumpaju“, kaže Čoi.
Dok je eksperimentisala sa više uputstava za štampanje i formulama mastila, otkrila je da može da generiše još jače kontrakcije unutar oblika sličnih komorama.
„U poređenju sa pravim srcem, naš model komore je pojednostavljen i minijaturizovan“, kaže ona. Tim sada radi na izgradnji životnih srčanih tkiva sa debljim mišićnim zidovima koji mogu jače pumpati tečnost. Uprkos tome što nije tako jaka kao stvarno srčano tkivo, 3D štampana komora mogla bi da pumpa 5-20 puta više tečnosti od prethodnih srčanih komora odštampanih 3D.
Tim kaže da se tehnika takođe može koristiti za izgradnju srčanih zalistaka, minijaturnih srca sa dve komore i još mnogo toga.
„FIG su samo jedan alat koji smo razvili za aditivnu proizvodnju“, kaže Parker. „Imamo druge metode u razvoju dok nastavljamo našu potragu za izgradnjom ljudskih tkiva za regenerativnu terapiju. Cilj nije da budemo vođeni alatima – mi smo agnostici alata u našoj potrazi za boljim načinom za izgradnju biologije.“
