Лаборатория исследований бедности Абдула Латифа Джамиля (J‑PAL) Институт Пиковера по обучению и памяти Школа гуманитарных, художественных и социальных наук Шварцманский колледж вычислительной техники MIT

Магнитный смеситель улучшает 3D‑биопечать

3D‑биопечать, при которой живые ткани печатаются с клетками, смешанными в мягких гидрогелях, или «био‑чернилах», широко используется в биоинженерии для моделирования или замены тканей в организме. Однако качество печати и воспроизводимость тканей могут сталкиваться с трудностями. Одна из наиболее значительных проблем вызвана простой силой тяжести — клетки естественным образом оседают на дно шприца экструдера, потому что они тяжелее окружающего гидрогеля.

«Это оседание клеток, которое усугубляется в ходе длительных печатных сессий, необходимых для печати крупных тканей, приводит к засорению сопел, неравномерному распределению клеток и несоответствиям между напечатанными тканями», — объясняет Риту Раман, профессор развития карьеры имени Юджина Белла в области тканевой инженерии и доцент машиностроения в MIT. «Существующие решения, такие как ручное перемешивание био‑чернил перед загрузкой в принтер или использование пассивных смесителей, не могут поддерживать однородность после начала печати».

В исследовании, опубликованном 2 февраля в журнале Device, команда Раман предлагает новый подход, направленный на устранение этого основного ограничения путем активного предотвращения седиментации клеток в био‑чернилах во время печати, что позволяет получать более надежные и биологически согласованные 3D‑напечатанные ткани.

«Точное управление физическими и биологическими свойствами био‑чернил имеет решающее значение для воссоздания структуры и функции нативных тканей», — говорит Фердос Афгах, постдок по машиностроению в MIT и ведущий автор исследования.

«Если мы сможем печатать ткани, более похожие на ткани в наших телах, мы сможем использовать их как модели для лучшего понимания человеческих заболеваний или для тестирования безопасности и эффективности новых терапевтических препаратов», — добавляет Раман. Такие модели могут помочь исследователям уйти от методов, подобных тестированию на животных, что объясняет недавний интерес Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США к разработке более быстрых, менее дорогих и более информативных подходов для установления безопасности и эффективности новых путей лечения.

«В конечном счете мы работаем над применениями в регенеративной медицине, такими как замена больных или поврежденных тканей в нашем теле 3D‑напечатанными тканями, которые могут помочь восстановить здоровую функцию», — говорит Раман.

MagMix — магнитно активируемый смеситель — состоит из двух частей: небольшого магнитного пропеллера, который помещается внутрь шприцов, используемых биопринтерами для поочередного нанесения био‑чернил слоями для формирования 3D‑тканей, и постоянного магнита, прикрепленного к мотору, который перемещается вверх и вниз рядом со шприцом, управляя движением пропеллера внутри. Вдвоем эта компактная система может быть смонтирована на любом стандартном 3D‑биопринтере, поддерживая однородное смешивание био‑чернил во время печати без изменения состава био‑чернил и без вмешательства в нормальную работу принтера. Для проверки подхода команда использовала компьютерное моделирование для проектирования оптимальной геометрии пропеллера и скорости смешивания, а затем экспериментально подтвердила его эффективность.

«Для нескольких типов био‑чернил MagMix предотвращал оседание клеток более чем на 45 минут непрерывной печати, уменьшая засорение и сохраняя высокую жизнеспособность клеток», — говорит Раман. «Важно, что мы показали возможность регулировки скоростей смешивания для достижения баланса между эффективной гомогенизацией для разных био‑чернил и минимальным стрессом для клеток. В качестве доказательства концепции мы продемонстрировали, что с помощью MagMix можно 3D‑печать клетки, которые в течение нескольких дней могли созревать в мышечные ткани».

Поддерживая равномерное распределение клеток в течение продолжительных или сложных печатных заданий, MagMix позволяет изготавливать высококачественные ткани с более стабильной биологической функцией. Поскольку устройство компактно, недорого, настраиваемо и легко интегрируется в существующие 3D‑принтеры, оно предлагает доступное решение для лабораторий и промышленности, работающих над воспроизводимыми инженерными тканями для применения в здравоохранении, включая моделирование заболеваний, скрининг лекарств и регенеративную медицину.

Эта работа была частично поддержана Лабораторией открытий по безопасности, здоровью и окружающей среде (SHED) в MIT, которая предоставляет инфраструктуру и междисциплинарную экспертизу для перевода инноваций в области биофабрикации от лабораторных демонстраций к масштабируемым и воспроизводимым приложениям.

«В SHED мы сосредоточены на ускорении трансляции инновационных методов в практические инструменты, которые исследователи могут надежно принять», — говорит Толга Дуратак, учредительный директор SHED. «MagMix — яркий пример того, как правильное сочетание технической инфраструктуры и междисциплинарной поддержки может продвинуть технологии биофабрикации к масштабируемому воздействию в реальном мире».

Участие SHED отражает более широкую стратегию укрепления технологических путей, которые повышают воспроизводимость и доступность в инженерии и науках о жизни, обеспечивая равный доступ к продвинутому оборудованию и способствуя междисциплинарному сотрудничеству.

«По мере того как область развивается в направлении более крупномасштабных и стандартизированных систем, интегрированные лаборатории, такие как SHED, необходимы для создания устойчивого потенциала», — добавляет Дуратак. «Наша цель — не только содействовать открытиям, но и обеспечить, чтобы новые технологии могли надежно внедряться и поддерживаться с течением времени».

Команда также заинтересована в немедицинских применениях инженерных тканей, таких как использование напечатанных мышц для питания более безопасных и эффективных «биогибридных» роботов.

Исследователи полагают, что эта работа может повысить надежность и масштабируемость 3D‑биопечати, сделав возможное влияние на область 3D‑биопечати и здоровье человека значительным. Их статья «Advancing Bioink Homogeneity in Extrusion 3D Bioprinting with Active In Situ Magnetic Mixing» доступна в журнале Device.

Исследователи из MIT и других учреждений разработали компактный магнитный смеситель для предотвращения засоров и неравномерности тканей при 3D‑биопечати, отмечает репортаж Aamir Khollam для Interesting Engineering. Устройство под названием «MagMix» работает над тем, чтобы «поддерживать однородность био‑чернил на протяжении всего процесса печати», пишет Khollam.

Лаборатория открытий по безопасности, здоровью и окружающей среде MIT (SHED) Кафедра машиностроения Искусственные сухожилия дают преимущество роботам, приводимым в движение мышцами Новая техника 3D‑биопечати может улучшить производство инженерных тканей Искусственная мышца изгибается в нескольких направлениях, предлагая путь к мягким, извивающимся роботам Предоставление ИИ «кристально чистого» взгляда на мир материалов Содействие сообществу в инновационном районе Кендалл‑сквер Сьюзи Нельсон преобразила студенческую жизнь в MIT Студенческие лидеры MIT: интервью с президентом Ассоциации студенческой активности Ханой Соуза Отчет о состоянии устойчивости цепочек поставок показывает рекордно высокий уровень приверженности корпораций, но отставание в управлении ИИ‑модель расшифровывает язык, на котором клетки общаются

Массачусетский технологический институт 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, USA