Изготовленные на 3D-принтере регенеративные сердечные клапаны, которые растут вместе с пациентами

Исследователи из Мюнхенского технического университета и университета Западной Австралии с помощью технологии 3D-печати разрабатывают искусственные сердечные клапаны, изготовленные из собственных клеток пациента, которые растут по мере его старения.

Этот подход позволяет преодолеть недостатки обычных протезов сердечных клапанов, которые служат лишь ограниченное количество лет и поэтому требуют многократных операций по замене.

Ученые использовали процесс 3D-печати с применением электроформирования расплава для создания пористого скаффолда* из собственных клеток пациента. Электроформование расплава - это передовая технология аддитивного производства, позволяющая осаждать заранее заданные микрометрические волокна, которая работает за счет сочетания приложенного электрического поля, температуры и давления для создания заряженной струи расплавленного полимера.

Исследователи использовали эту технологию для нанесения микроволокон толщиной менее одной десятой толщины человеческого волоса с предельной точностью по заранее заданному шаблону, придавая полученным волокнистым каркасам нужные характеристики.

Электроспиннинг* из расплава дает значительные преимущества перед другими методами формирования волокон, такими как обычный электроспиннинг, поскольку позволяет изготавливать скаффолды с настраиваемыми механическими свойствами, макропористостью и рисунком для широкого спектра применений, включая тканевую инженерию имплантатов и моделирование заболеваний.

В настоящее время, если поврежденные клапаны сердца не могут быть восстановлены, существующие методы лечения включают имплантацию протеза клапана, который в идеале должен оставаться в организме пациента в течение всей его жизни. Однако срок службы таких клапанов ограничен, поэтому для их замены пациентам приходится проводить многочисленные хирургические вмешательства. Эта проблема особенно актуальна для педиатрических пациентов, поскольку им требуются новые клапаны по мере роста их организма.

Регенеративный подход к тканевой инженерии сердечного клапана, разработанный исследовательской группой, направлен на преодоление ограничений существующих механических и биологических протезов путем изготовления клапана, способного расти и изменяться вместе с пациентом. Для этого необходимо было напечатать скаффолд с достаточной пористостью, чтобы клетки могли проникать в структуру и развиваться.

Команда использовала 3D-принтер для печати расплавом для создания имплантатов сердечного клапана, которые имитировали различные структуры тканей собственного аортального сердечного клапана пациента. Цифровая платформа печатала сложные узорчатые структуры, которые затем были соединены с трубчатыми микропористыми гидрогелевыми скаффолдами.

Полученная в результате печатная структура была способна выдерживать сложные функции сердечного клапана, оставаясь при этом достаточно пористой, чтобы собственные клетки пациента могли колонизировать ее и размножаться. Команда проверила возможности своего искусственного сердечного клапана, создав макет системы кровообращения и подвергнув его тем же давлениям и скоростям потока, которые выдерживает естественный сердечный клапан.

По словам команды, результаты тестирования были многообещающими, клапан соответствовал стандартам ISO. Несмотря на обнадеживающие результаты, команда признает, что испытания не могут предсказать долгосрочную функциональность клапана, для чего будут проведены исследования in vivo, чтобы оценить процесс ремоделирования и скорость деградации каркаса, среди прочих факторов.

* Скаффолд – это матричная структура биоматериала, которая служит субстратом и направляющей для регенерации тканей.  Он используется в сочетании с биологическими носителями, которые ускоряют процессы заживления и регенерации костной ткани.

** Электроспиннинг (электроформование, электропрядение) — способ получения полимерных волокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора или расплава.