Из-за глобальной нехватки органов и ограниченного числа доноров органов тысячи пациентов остаются без органов и тканей в случае серьезных травм, болезней или генетических заболеваний. Многие из этих пациентов умирают до того, как станет доступна трансплантация.
Тканевая инженерия – это развивающаяся область, которая работает над производством искусственных тканей и заменителей органов в качестве постоянных решений для замены или устранения повреждений.
Как исследователи в области биомедицинской инженерии, мы разрабатываем трехмерные временные структуры органов – так называемые каркасы – которые могут помочь регенерировать поврежденные ткани и потенциально привести к созданию искусственных органов. Эти ткани также могут использоваться в различных приложениях тканевой инженерии, включая восстановление нервов в структурах, построенных из биоматериалов.
Ткань для печати
Примерно 22.6 миллионам пациентов во всем мире ежегодно требуется нейрохирургическое вмешательство для лечения повреждений периферической нервной системы. Этот ущерб в первую очередь вызван травматическими событиями, такими как автомобильные аварии, насилие, производственные травмы или тяжелые роды. Ожидается, что к 2025 году стоимость восстановления и регенерации нервов во всем мире достигнет более 400 миллионов долларов.
Современные хирургические методы позволяют хирургам корректировать нервные окончания и стимулировать рост нервов. Однако вероятность восстановления поврежденной нервной системы не гарантируется, и восстановление функции почти никогда не бывает полным.
Исследования на животных на крысах показали, что если травма разрушает более двух сантиметров нервов, разрыв не может быть перекрыт должным образом, и это может привести к потере мышечной функции или чувствительности. В этом состоянии важно использовать каркас для соединения двух сторон поврежденного нерва, особенно в случае крупных повреждений нерва.
3D-биопечать печатает 3D-структуры слой за слоем, как на 3D-принтерах. Используя эту технику, наша исследовательская группа создала пористую структуру из нервных клеток пациента и биоматериала, соединяющего поврежденный нерв. Мы использовали альгинат, полученный из водорослей, потому что человеческий организм не отвергает его.
Хотя этот метод еще не был протестирован на людях, после его усовершенствования он может помочь пациентам, ожидающим тканей и органов.
Материальные проблемы
Альгинат – сложный материал для работы, потому что он легко разрушается во время 3D-печати. Наше исследование направлено на разработку новых методов улучшения печатных характеристик.
Для восстановления нервов альгинат имеет благоприятные свойства для роста и функционирования живых клеток, но его плохие возможности для 3D-печати значительно ограничивают его производство. Это означает, что альгинат легко течет во время процесса печати и приводит к разрушенной структуре. Мы разработали метод изготовления, при котором клетки содержатся в пористой альгинатной структуре, созданной с помощью 3D-принтера.
Предыдущие исследования использовали методы формования для создания объемного альгината без пористой структуры для улучшения регенерации нервов; клеткам не нравится такая плотная среда. Однако 3D-печать пористой альгинатной структуры – сложная задача, а зачастую и невозможная.
В наших исследованиях эта проблема решается путем печати пористой структуры, состоящей из альгината, слой за слоем, а не формованного объемного альгината; такая структура имеет взаимосвязанные поры и обеспечивает благоприятную для клеток среду. Клетки могут легко взаимодействовать друг с другом и начинать регенерацию, в то время как напечатанный на 3D-принтере альгинат обеспечивает им временную поддержку.
Исследователи намерены реализовать 3D-печатные конструкции для пациентов, страдающих нервными травмами, а также другими травмами.
После того, как изготовленная альгинатная структура имплантируется пациенту, большой вопрос заключается в том, обладает ли она достаточной механической стабильностью, чтобы выдерживать силы, прикладываемые тканями в организме. Мы разработали новую численную модель для прогнозирования механического поведения альгинатных структур.
Наши исследования помогут понять клеточный ответ, который является основным фактором, который необходимо учитывать при оценке успешности альгинатных структур.