Исследователи Университета Торонто разработали 3D-биопринтер, способный печатать полоски биоматериала для заживления глубоких ран на коже. Портативный девайс помещается в руку и весит 997 гр. Он может распечатать кожную «заплатку» шириной в 2 см за пару минут.

Испытания 3D-биопринтера проводились на крупных и мелких животных: для этого на коже животного вырезалась рана размером 20х40 мм, делалась подложка из агарозы, после чего наносился слой печатного биоматериала.

схема работы биопринтера
схема работы биопринтера

На рисунке выше показана схема, демонстрирующая процесс биопечати. Клетки суспендируются в гидрогелевом растворе. Затем ими наполняют один (или при необходимости несколько) шприцев. В еще одном шприце содержится раствор, образующий поперечные связи (на рисунке а показан синим). Этот раствор в умеренных условиях (т.е. при естественном pH и температуре тела) способствует превращению биополимерного раствора в гель.

После установки заправленных шприцев в ручной биопринтер биочернила наносятся как биологический материал или пласт ткани на чашку для культивирования или непосредственно на поверхность раны. Например, биочернила, содержащие фибробласт человека, можно равномерно распределить в дермальный слой толщиной 0,1 – 0,6 мм. Биочернила, содержащие кератиноциты, можно наносить параллельными полосами, разделёнными бесклеточными полосами, что напоминает сетчатую эпителиальную пересадку кожи.

Основная часть инструмента – микрофлюидный картридж из полупрозрачного полимера. Он был создан на 3D-принтере. Картридж обеспечивает равномерное поперечное распределение как минимум двух растворов в микроканальные сети, расположенные в отдельных плоскостях. В картридже есть выходные отверстия шириной 8, 14 и 20 мм.

Раствор 2% агарозы в деионизированной воде готовится путем нагрева микроволновым излучением. Раствор остужают до 60°C перед тем как вылить его на стерильные чашки Петри, что приводит к образованию гелевого слоя толщиной 3 мм. Гель затвердевает за 30 минут пребывания в комнатной температуре.

Исследователи приготовили биочернила с тремя разными составами.

  1. Для альгинатных коллагеновых пластов: альгинат натрия растворили в растворе DMEM и 20 ммоль/л ГЭПЭС и отфильтровали при помощи 0,1 мкм шприцевого микрофильтра. Коллаген 1-го типа был сбалансирован до pH 7 при помощи 1 г/моль NaOH в фосфатно-солевом буферном растворе (PBS). Два исходных раствора смешали, чтобы в результате получить концентрацию 5 мг/мл коллагена 1-го типа и 2% альгината. Раствор держали на льду перед использованием.

  2. Биочернила для дермального слоя: 5% фибриноген растворили при 37 °C в PBS при умеренном помешивании на протяжении 2 часов. 1% гиалуроновой кислоты растворили в PBS. Растворы смешали в пропорции 1:1, а затем отфильтровали. Раствор коллагена 1-го типа был сбалансирован при помощи NaOH до pH 7 и смешан с отфильтрованным раствором фибрина/гиалуроновой кислоты, чтобы в результате получить концентрацию из 1.25% фибриногена, 0.25% гиалуроновой кислоты, и 0.25% коллагена. Раствор держали на льду перед использованием.

  3. Биочернила для эпидермального слоя: приготовлены с итоговой концентрацией 2.5% фибриногена и 0.25% гиалуроновой кислоты.

До и после нанесения чернил (рисунок f)
До и после нанесения чернил (рисунок f)

Команда разработчиков устройства надеется, что когда-нибудь их девайс будут использовать в клинических условиях, чтобы улучшить лечение ожогов и других сильных повреждений кожи.