Ученые из Института биотехнологии и науки Бирлы (BITS) Пилани создали новый метод трехмерной биопечати. Этот метод использует обычные фармацевтические полимеры для изготовления как каркасов живых тканей, так и индивидуально подобранных лекарственных препаратов. Данное достижение открывает экономически доступный путь для развития регенеративной медицины и персонализированной доставки лекарств.
Команда решила проблему высоких затрат и проблем с безопасностью, которые долгое время препятствовали внедрению технологии 3D-печати в обычные больницы и аптеки. Для преодоления ограничений традиционных методов исследователи разработали инновационный биочернила, составленные из кукурузного крахмала, мальтодекстрина и натрия альгината.
Эти компоненты были выбраны потому, что они уже одобрены регулирующими органами здравоохранения, не содержат продуктов животного происхождения и широко доступны по низкой цене. Для формирования структур использовался процесс, известный как полутвердая экструзионная 3D-биопечать. Эта техника функционирует схоже с использованием строительного пистолета, нанося чернила слоями согласно цифровому дизайну для создания сложных трехмерных объектов.
Новые биочернила основаны на свойстве, называемом сдвиговое утоньшение. При этом материал становится менее вязким и легко течет при давлении через сопло принтера, но быстро восстанавливает свою твердую структуру после нанесения. Исследователи обнаружили, что их конкретная формула почти мгновенно восстанавливала 87% своей толщины, что позволяло ей сохранять форму без разрушения.
После печати структуры проходят химическую обработку, называемую ионным сшиванием. Воздействие хлорида кальция на напечатанные чернила приводит к образованию известного узора, называемого соединениями типа яичной скорлупы, которые связывают молекулы в стабильный, богатый водой гель, известный как гидрогель. Этот гидрогель применялся для печати двух разных изделий: пористых каркасов для восстановления кожи и жевательных таблеток для доставки лекарств.
Каркасы для кожи были спроектированы как высокопористый микроскопический губка, с отверстиями размером около 39 микрометров. Эти крошечные поры критически важны, поскольку они обеспечивают поступление кислорода и питательных веществ к живым клеткам, одновременно предоставляя им структуру для прикрепления и роста.
В ходе биологических испытаний команда доказала, что эти каркасы очень благоприятны для клеток. Были протестированы два типа клеток, связанных с кожей: фибробласты мыши и кератиноциты человека. Более 70% клеток выжили и активно развивались на напечатанных структурах в течение более 48 часов, что подтверждает нетоксичность материала и его совместимость с человеческой биологией. Кроме того, были проведены тесты на совместимость с кровью, показавшие, что каркасы вызывают минимальное повреждение эритроцитов, что является важнейшим требованием безопасности для любых материалов, предназначенных для медицинских имплантатов или перевязочных материалов.
Помимо заживления кожи, исследователи продемонстрировали универсальность технологии, напечатав «умные» лекарства. Они загрузили биочернила препаратом Глимепирид, который часто используется для лечения диабета 2 типа, и напечатали его в форме жевательных таблеток. Эти 3D-печатные таблетки показали отличное единообразие содержания, то есть каждая таблетка содержала точно заданную дозу в 2 миллиграмма. Это часто представляет собой проблему при традиционном производстве низкодозовых лекарств. Более того, таблетки продемонстрировали профиль пролонгированного высвобождения, постепенно высвобождая лекарство в течение четырех часов. Такая возможность кастомизации позволяет врачам печатать таблетки в определенных формах, вкусах или дозах, адаптированных под конкретных пациентов, например, детей или пожилых людей, которым трудно глотать традиционные капсулы.
Переход от дорогих или животных специализированных биочернил к доступным, соответствующим нормативным требованиям фармацевтическим полимерам делает возможным вывод 3D-печати из лаборатории в клинику. Это может привести к будущему, где больницы смогут по запросу печатать индивидуальные кожные трансплантаты для жертв ожогов, или местные аптеки смогут производить персонализированные таблетки, объединяющие несколько лекарств в одну легкоусвояемую пилюлю. Снижая риск иммунного отторжения и уменьшая производственные затраты, эта технология приближает нас к системе здравоохранения, которая действительно адаптирована под нужды каждого человека.