Инновационный гидрогель для 3D-печати – ключ к производству хрящевой ткани человека (+ видео)

По своей сути, гидрогель – это мягкий биосовместимый материал, представляющий собой эластичные полимерные конструкции, в которых заключены молекулы воды. Как правило, синтетические гидрогели хрупкие и недостаточно устойчивые, однако в скором времени это может измениться.

В рамках нового исследовательского проекта, информация о котором была опубликована в Journal of Advanced Materials, ученым удалось найти новый способ создания чрезвычайно прочных гидрогелей. Новый материал при этом также позволяет внедрять клетки в свою структуру. Этот аспект особенно важен, потому что при повышенной прочности материала значительно расширяется спектр возможностей для его применения. Кроме того, значительным преимуществом является возможность использования такого материала для 3D-печати, то есть создания уникальных объектов с высоким разрешением.

Такие гидрогели идеально подошли бы для производства механизмов управления мягких роботов, а также для создания систем по доставке лекарств внутри организма и 3D-печати искусственных хрящей. Таким образом, инновационный материал потенциально может быть использован для изготовления искусственных человеческих суставов, хрящей носа и ушей.

«Основная инновация – это, конечно, сам материал, новый биосовместимый прочный гидрогель, подходящий для 3D-печати, – объясняет Шуанхэ Чжао, профессор инженерной механики в Массачусетском технологическом институте и один из авторов проекта. – Точнее говоря, новый материал представляет собой сочетание двух биополимеров. По отдельности каждый из них хрупок и нестабилен, однако вместе они становятся чрезвычайно прочным материалом. Это можно сравнить с бетоном, укрепленным стальной арматурой».

Эти гидрогели очень похожи на настоящие человеческие хрящи, однако существенно превосходят их по своим характеристикам. Например, с помощью 3D-печати из них можно изготовить объекты различных форм, такие как пирамиды, «витые узлы», многослойные сетки, полые кубы и многое другое. Из этого материала можно создать объект в форме человеческого носа или уха, а также хрящей суставов. Напечатанную на 3D-принтере пирамиду из такого гидрогеля можно сжать почти на 99%, однако после этого она легко и быстро возвращается в исходную форму. В то же время, материал может быть растянут в пять раз больше изначальных размеров, а его вязкость может быть отрегулирована для наиболее успешной печати на 3D-принтере. Материал также намного прочнее настоящих человеческих хрящей, поэтому имплантат может лучше противостоять повседневному износу.

Среди недостатков существующих на сегодняшний день гидрогелей, помимо их непригодности для 3D-печати, также необходимость использования очень сильных химикатов для придания прочности материалу. Таким образом, в эти гидрогели было практически невозможно внедрить живые клетки, так как они не смогли бы существовать в такой среде. В свою очередь, новые гидрогели представляют собой благоприятную среду для внедрения живых клеток (например, стволовых) без какого-либо ущерба для них. Благодаря таким характеристикам в ближайшем будущем разработка, вполне возможно, найдет широкое применение в медицине.

Один из полимеров в составе гидрогеля для 3D-печати делает материал чрезвычайно эластичным, а другой позволяет энергии рассеиваться при деформации, так что объект не распадается, как другие, более хрупкие гидрогели. К двум полимерам добавляется биосовместимая «наноглина», которая позволяет ученым изменять вязкость, чтобы контролировать подачу гидрогеля при печати на 3D-принтере.

В настоящее время исследователи работают над усовершенствованием методов 3D-печати из этого материала. На данный момент они используют 3D-принтер, который позволяет печатать с точностью до 500 мкм, но вскоре, за счет очередных инноваций, этот показатель должен улучшиться.