Разработана новая технология 3D-печати биологических тканей, которая стала возможна благодаря исследованиям магнитной левитации в условиях невесомости.В перспективе разработка поможет создавать чувствительные к радиации биологические конструкции и восстанавливать поврежденные ткани и органы человека. Результаты опубликованы в журнале Biofabrication. В основу технологии легли результаты экспериментальных исследований, поддержанные грантом Российского научного фонда (РНФ).
Существует множество методов трехмерной биопечати. Большинство из них использует некоторый каркас, на который слой за слоем наносятся клетки биологической ткани. Полученный объемный материал затем отправляется в инкубатор, где продолжается выращивание. Существуют способы, в которых биологические объекты создаются без применения каркаса, например магнитный биопринтинг, когда клеточный материал направляется в нужное место с помощью магнитных полей.В таком случае клетки необходимо каким-то образом помечать магнитными наночастицами.
Фото 1: схематическое изображение экспериментальной установки с ловушкой «магнитная яма» для удержания биообъектов. Источник: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication, 2018
Фото 2: схематическое изображение экспериментальной установки с ловушкой «магнитная яма» для удержания биообъектов. Источник: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication, 2018
Ученые из компании 3D BioprintingSolutions совместно с другими российскими и зарубежными коллегами разработали новый метод биопринтинга, который позволяет создавать трехмерные биологические объекты без использования каркаса и магнитных меток. Разработка этого метода стала возможна благодаря исследованиям ученых из Объединенного института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН).
«В период с 2010 по 2017 год на борту Российского сегмента Международной космической станции выполнен цикл уникальных экспериментальных исследований на установке “Кулоновский кристалл”. Основным элементом установки является электромагнит, создающий специфическое неоднородное магнитное поле, в котором в условиях микрогравитациимогут формироваться структуры из диамагнитныхчастиц (которые намагничиваются против направления магнитного поля)», — рассказал один из авторов исследования, Михаил Васильев, заведующий лабораторией диагностики пылевой плазмы ОИВТ РАН.
Сотрудники ОИВТ РАН в рамках своего экспериментального исследования описали, как ведут себя мелкие заряженные частицы, помещенные в магнитное поле специальной формы в условиях микрогравитации, то есть в невесомости. Помимо этого, ученые составили математическую модель этого процесса на основе методов молекулярной динамики. Благодаря этим результатам стало понятно, как можно получать однородные и протяженные трехмерные структуры из тысяч частиц.
Фото 3: процесс трехмерной самосборкив «магнитной яме». Источник: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication, 2018
Ранее существовавшие методики управления биопечатью с помощью магнитных полей имели ряд ограничений, связанных с гравитацией. Чтобы уменьшить влияние гравитационных сил, можно увеличить мощность магнитов, контролирующих магнитное поле, однако, это значительно усложняет установку. Второй способ — уменьшить гравитацию. По этому пути и пошла группа ученых из компании 3D BioprintingSolutions. Новый метод получил название «формативная трехмерная биофабрикация», он позволяет создавать трехмерные биологические структуры не послойно, а сразу со всех сторон. Для управление формой таких объектов ученые использовали экспериментальные данные и результаты математического моделирования, полученные учеными ОИВТ РАН.
«Результаты космического эксперимента “Кулоновский кристалл” по исследованию формирования пространственно-упорядоченных структур легли в основу нового метода для формативной трехмерной биофабрикации тканевых конструкций, осуществляемой методом программируемой самосборки живых тканей и органов в условиях земного притяжения и условиях микрогравитации посредством неоднородного магнитного поля», — добавил ученый.
Фото 4: фотографии полученных тканевых конструкций при различном увеличении. Источник: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication, 2018
Биопринтеры на основе новой технологии смогут создавать различные биологические конструкции, которые можно будет использовать, например, для оценки неблагоприятного действия космической радиации на здоровье космонавтов при длительных космических миссиях. Также, по заявлению авторов, в перспективе эта технология сможет восстанавливать функциюповрежденных тканей и органов.
Experiments of the Russian scientists in space lead to a new way of 3D-bioprinting
Thanks to the research of magnetic levitation in the conditions of microgravity, a new technology for 3D printing of biological tissues was developed. In the future, this technology will help to create radiation-sensitive biological constructs and repair damaged tissues and human organs. The results are published in Biofabrication. The technology is based on the results of the experimental studies which were supported by Russian Science Foundation (RSF).
There are many methods of 3D-bioprinting. Most of them use a certain layer-by-layer framework of the biological tissues. The resulting bulk material is then sent to the incubator where the cultivation continues. There are ways in which biological objects are developed without the use of multi-layer approach, for example, magnetic bioprinting, when the cell material is directed to the desired location by means of the magnetic fields. In this case, the cells should be labeled in some way with magnetic nanoparticles.
The researchers from the 3D BioprintingSolutions company in collaboration with the other Russian and foreign scientists developed the new method of bioprinting that allows to create 3D- biological objects without the use of layer-by-layer approach and magnetic labels. This new method was developed with the contribution from the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (JIHT RAS).
“During the period from 2010 to 2017, a series of unique experimental studies were carried out aboard the Russian Orbital Segment of the International Space Station at the experimental setup “Coulomb Crystal”. The main element of that device is an electromagnet that creates a special inhomogeneous magnetic field in which the structures of the diamagnetic particles (they are magnetized against the direction of the magnetic field) can be formed in the microgravity conditions,” as explained by one of the authors, Mikhail Vasiliev, head of laboratory of dusty plasma diagnostics in JIHT RAS.
In their experimental study, the JIHT researchers described how small charged particles behave in the magnetic field of a special shape under the microgravity conditions, including zero gravity. In addition, the scientists developed a mathematical model of this process based on the methods of molecular dynamics. These results explain how to obtain homogeneous and extended three-dimensional structures consisting of the thousands of the particles.
The conventional methods of magnetic 3D-bioprinting had a number of limitations associated with the gravity. To reduce the influence of the gravitational forces, one can increase the power of magnets that control the magnetic field. However, this will complicate the bioprinter considerably. The second way is to reduce the gravity. A group of scientists from 3D BioprintingSolutions used this approach. The new method is called “formative three-dimensional biofactory” and it allows you to create three-dimensional biological structures not in layers but immediately from all the sides. The researchers applied the experimental data and the results of the mathematical modeling obtained by the JIHT RAS scientists to control the shape of such structures.
“The results of the Coulomb crystal experiment on the study of the formation of the spatially ordered structures led to the development of a new method for the formative 3D-biofactory of the tissue-like structures based on the programmable self-assembly of the living tissues and organs under the conditions of gravity and microgravity by means of an inhomogeneous magnetic field,” summarized the author.
Bioprinters based on the new technology application will be able to create various biological constucts that can be used, for example, to estimate the adverse effects of the space radiation on the health of the astronauts in the long-term space missions. In addition to that, according to the authors, this technology will be able to restore the function of the damaged tissues and organs in the future.
Picture1, 2. A schematic image of an experimental setup with a “magnetic well” trap for holding bioobjects. Source: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication, 2018
Picture 3. The process of 3D self-assembly in the “magnetic well”. Source: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication, 2018
Picture 4. Some photos of the resulting tissue constucts at the different magnifications.
Source: Vladislav A Parfenov et al // Biofabrication, 2018
Contacts:
Mikhail Vasiliev, PhD, head of the laboratory of dusty plasma diagnostics in JIHT RAS
mixxy@mail.ru, +7(926)573-1633