Напечатанный с помощью 3D-принтера «умный» гранулированный гидрогель будет заменять клеточные структуры и фрагменты тканей, а также контролировать процессы в организме вместо металлических и пластиковых имплантов.
Носимые или имплантируемые устройства для отслеживания биологических процессов, таких как частота сердечных сокращений, полезны, но чаще всего они создаются из металлов, кремния, пластика и стекла и зачастую требуют хирургического вмешательства или эндоскопических процедур для установки. Команда ученых из Инженерной школы Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе разрабатывает биоэлектронные гидрогели, которые в будущем смогут заменить существующие устройства, обеспечивая большую гибкость и универсальность.
Александра Рутц, доцент кафедры биомедицинской инженерии, и Анна Гестенкорс, аспирантка в лаборатории Рутц, разработали новые гранулированные гидрогели. Они состоят из микрочастиц, которые можно вводить в организм, распределять по тканям или использовать для инкапсуляции клеток и тканей, а также для мониторинга и стимуляции биологической активности. Результаты их работы были опубликованы в журнале Small.
Микрочастицы представляют собой сферы, изготовленные из проводящего полимера, известного как PEDOT:PSS. При плотном упаковывании они напоминают влажный песок или пасту: сохраняют твердость благодаря микропорам. Их возможно напечатать на 3D-принтере, придавая различные формы или распределяя по отдельным частицам в жидкой среде.
Рутц подчеркивает, что гранулированные гидрогели пока не нашли широкого применения в данной области, но результаты экспериментов показывают, что этот материал можно вводить с помощью иглы в требуемую область. Исследовательницы применили методы тканевой инженерии и добились того, чтобы электропроводящие материалы имитировали характеристики тканей. При этом можно использовать свойства этих материалов для решения более сложных задач.
Даже когда частицы плотно соприкасаются, между ними образуются пустоты, создающие пористость на микронном или клеточном уровне. Поскольку связи непрочные, они могут смещаться относительно друг друга, и материал сможет течь, как жидкость, если приложить определенную силу, которая позволит его впрыснуть или выдавить. Когда усилие прекращается, связи восстанавливаются, и материал опять становится подобным пасте.
По словам Гестенкорс, отдельные частицы можно продавливать через сопло 3D-принтера, формируя нити. Она создала их с помощью водно-масляной эмульсии, похожей на заправку для салата. После нагрева масла она добавила полимер. При смешивании полимер расщепился на мелкие капли в масле, а под воздействием высокой температуры «сшился», образовав стабильный гидрогелевый субстрат.
В ходе исследования ученые провели эксперимент с саранчой (Locusta migratoria) в лаборатории Барани Рамана, профессора в Инженерном колледже Маккелви и содиректора Центра исследований киборгов и биороботов Вашингтонского университета. Гестенкорс наносила небольшие скопления частиц на кончики усиков саранчи, где расположены обонятельные рецепторы. Частицы позволяли измерять локальные потенциалы поля, соответствующие запахам, которые улавливает саранча.
Мы предполагаем, что с дальнейшим развитием эти проводящие гранулированные гидрогели могут быть использованы в качестве напечатанных на 3D-принтере индивидуальных электродов, которые смогут адаптироваться к топографически разнообразным поверхностям или полностью инкапсулировать биологические компоненты, служить каркасами для тканевой инженерии или инъекционными препаратами.
Фото: hi-tech.mail.ru