Российские ученые создали основу для выращивания человеческих органов

Работа описана в статье, опубликованной Chemical Engineering Journal. За основу исследователи взяли метод электроспиннинга (электроформования), успешно применяемый для получения полимерных микро- и нановолокон. Под действием сильного электрического поля полимерный раствор на кончике капилляра вытягивается в тонкое волокно, которое дрейфует на подложку (приемный коллектор). Осаждаясь, полимерные волокна формируют готовый нетканый материал.

Из него можно создать «каркас» – своего рода «арматуру» для клеточных слоев. Если созданный по индивидуальному проекту полимерный каркас «заселяется» стволовыми клетками пациента, то таким образом можно «вырастить» орган, идеально подходящий для пересадки.

Однако чтобы воспроизвести структуру органа, зачастую требуется очень сложная архитектура материала, воспроизводящая морфологию нативных тканей. Например, во внутренней оболочке стенки кровеносного сосуда волокна направлены параллельно току крови, а в средней — по кругу. Это требуется для обеспечения прочности сосуда при движении пульсовой волны крови, в этом случае растягивающие усилия направлены в разные стороны.

Таким образом для направленного роста клеточных культур требуется сложноупорядоченная морфология полимерного каркаса. Чтобы реализовать эту идею, необходимо контролировать ориентацию и укладку каждого волокна. Авторы статьи предложили сделать это за счет управления положением электрогидродинамической полимерной струи в процессе дрейфа в сторону коллектора.

«Сейчас в нашей конструкции на подложке – четыре электрода, – поясняет начальник отдела нанобиоматериалов и структур Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Ксения Луканина. – Мы можем контролируемо управлять ориентацией слоев волокон, вплоть до монослоя. Увеличивая количество электродов, меняя их расположение, можно задавать все более и более сложную геометрию, контролируя в буквальном смысле положение каждого волокна».

В ближайших планах – объемные полимерные структуры. «Совмещая механическое вращение и предложенный нами метод контролируемой точки осаждения волокна, мы способны создавать гиперболоидные конструкции, наподобие Шуховской башни, или  цилиндрические каркасы с перпендикулярно и вдоль уложенными волокнами», – рассказал заведующий лабораторией электрогидродинамических систем Игорь Ребров.

Кроме того, ученые предложили решение для производственного ограничения классического метода электроспиннинга, заключающегося в ограниченности толщины нетканого полотна. Когда на коллекторе накапливается достаточное количество заряженных волокон, осаждение новых прекращается, поскольку нет разности потенциалов, которая заставила бы полимер притянуться.

Исследователи добавили в конструкцию установки возможность изменить полярность прикладываемого электрического поля, таким образом заряд волокон может быть изменен на противоположный. Теперь волокна и коллектор вновь заряжены по-разному, и процесс может быть продолжен. Таким образом, также можно получать ориентированные волокна на диэлектрических поверхностях, что существенно расширяет возможности метода.

«Наша технология занимает нишу между классическим способом, когда материал производится быстро, но без упорядоченной укладки волокон, и 3D-печатью методом стабилизированного электроспиннинга – в этом случае печать происходит поволоконно, но крайне медленно», – пояснил заместитель директора НБИКС-пт по научной работе Тимофей Григорьев.

Новый подход к электроспиннингу позволит получать более сложные природоподобные полимерные структуры для тканевой инженерии. Возможно, со временем созданные по «индивидуальному заказу» полимерные матриксы, заселенные стволовыми клетками самого пациента, решат проблему нехватки донорских органов и избавят от негативных эффектов, связанных с неидеальной совместимостью.