חוקרי הרווארד מפתחים דיו המאפשר הדפסה תלת מימדית של רקמות לב פועם

במהלך העשור האחרון, ההתקדמות בהדפסת תלת מימד פתחה אפשרויות חדשות עבור מהנדסי ומהנדסות ביו לבנות רקמות ומבנים לבביים. המטרות

כוללות יצירת פלטפורמות חוץ גופיות טובות יותר לגילוי תרופות טיפוליות חדשות למחלות לב, סיבת המוות המובילה בארצות הברית, האחראית לכאחד מכל חמישה מקרי מוות בארץ, ושימוש ברקמות לב מודפסות בתלת מימד כדי להעריך אילו טיפולים עשויים לעבוד הכי טוב בחולים בודדים. מטרה רחוקה יותר היא לייצר רקמות מושתלות שיכולות לרפא או להחליף מבנים פגומים או חולים בתוך הלב של המטופל.

במאמר שפורסם ב- Nature Materials, חוקרים מבית הספר להנדסה ומדעים יישומיים של הרווארד ג'ון א. פולסון (SEAS) מדווחים על פיתוח של דיו הידרוג'ל חדש החדור בסיבי ג'לטין המאפשר הדפסה תלת-ממדית של חדר לב תפקודי המחקה פעימה כמו לב אנושי. הם גילו שהדיו ג'ל המושרה בסיבים (FIG) מאפשר לתאי שריר הלב המודפסים בצורת חדר להתיישר ולפעום בתיאום כמו תא לב אנושי.

אבל עד עכשיו, טכניקות הדפסה תלת-ממדיות לבדן לא הצליחו להשיג יישור רלוונטי פיזיולוגי של קרדיומיוציטים, התאים האחראים על העברת אותות חשמליים בצורה מתואמת לכיווץ שריר הלב.

"התחלנו את הפרויקט הזה כדי לטפל בחלק מהליקויים בהדפסת תלת מימד של רקמות ביולוגיות", אומר קווין "קיט" פרקר, פרופסור משפחת טאר לביו-הנדסה ופיזיקה יישומית וראש קבוצת הביופיזיקה של מחלות ב-SEAS, ומחבר בכיר.

החידוש טמון בהוספת סיבים בתוך דיו להדפסה. "דיו FIG מסוגל לזרום דרך פיית ההדפסה, אבל ברגע שהמבנה מודפס, הוא שומר על צורתו התלת-ממדית", אומר צ'וי. "בגלל המאפיינים האלה, מצאתי שאפשר להדפיס מבנה דמוי חדר וצורות תלת מימד מורכבות אחרות מבלי להשתמש בחומרי תמיכה או פיגומים נוספים."

כדי ליצור את דיו ה-FIG, צ'וי מינפה טכניקת ספינינג סילון סיבובית שפותחה על ידי המעבדה של פארקר שמייצרת חומרי מיקרופייבר תוך שימוש בגישה הדומה לאופן שבו מסתובבים צמר גפן מתוק. חוקר פוסט-דוקטורט לוק מקווין, מחבר שותף במאמר, הציע את הרעיון שניתן להוסיף לדיו ולהדפיס סיבים שנוצרו בטכניקת סיבוב הסילון הסיבובי.

באמצעות הסילון הסיבובי לסובב סיבי ג'לטין, צ'וי ייצר יריעת חומר בעל מראה דומה לכותנה. לאחר מכן, היא השתמשה בסוניפיקציה - גלי קול - כדי לשבור את הסדין הזה לסיבים באורך של כ-80 עד 100 מיקרומטר ובקוטר של כ-5 עד 10 מיקרומטר. לאחר מכן, היא פיזרה את הסיבים האלה לתוך דיו הידרוג'ל.

אומר צ'וי. ההיבט הקשה ביותר היה פתרון בעיות ביחס הרצוי בין סיבים והידרוג'ל בדיו כדי לשמור על יישור הסיבים ושלמותו הכוללת של המבנה המודפס בתלת מימד.

כאשר צ'וי הדפיס מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים באמצעות דיו FIG, הקרדיומיוציטים התייצבו יחד עם כיוון הסיבים בתוך הדיו. על ידי שליטה בכיוון ההדפסה, צ'וי יכול היה לשלוט באופן שבו יתיישרו תאי שריר הלב.

כשהיא הפעילה גירוי חשמלי על מבנים מודפסים בתלת מימד שנעשו עם דיו FIG, היא גילתה שזה גרם לגל מתואם של התכווצויות בהתאמה לכיוון של סיבים אלה. במבנה בצורת חדר, "היה מאוד מרגש לראות את החדר למעשה שואב בצורה דומה לאופן שבו חדרי לב אמיתיים שואבים", אומר צ'וי.

כשהיא התנסתה עם יותר כיווני הדפסה ונוסחאות דיו, היא גילתה שהיא יכולה ליצור התכווצויות חזקות עוד יותר בתוך צורות דמויות חדרים.

"בהשוואה ללב האמיתי, מודל החדר שלנו מפושט וממוזער", היא אומרת. הצוות עובד כעת לבניית רקמות לב דמויות חיים עם קירות שרירים עבים יותר שיכולים לשאוב נוזלים בצורה חזקה יותר. למרות שהוא לא חזק כמו רקמת לב אמיתית, החדר המודפס בתלת-ממד יכול לשאוב פי 5-20 יותר נפח נוזלים מאשר חדרי הלב הקודמים שהודפסו בתלת-ממד.

הצוות אומר שהטכניקה יכולה לשמש גם לבניית מסתמי לב, לבבות מיניאטוריים דו-חדריים ועוד.

Additional authors include Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T. Pu, and Andreas Bausch.

This work was sponsored by SEAS; the National Science Foundation through the Harvard University Materials Research Science and Engineering Center (DMR-1420570, DMR-2011754); the National Institutes of Health and National Center for Advancing Translational Sciences (UH3HL141798, 225 UG3TR003279); the Harvard University Center for Nanoscale Systems (CNS), a member of the National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network (NNCI) which is supported by the National Science Foundation (ECCS-2025158, S10OD023519); and the American Chemical Society's Irving S. Sigal Postdoctoral Fellowships.

Source:

Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Journal reference:

Choi, S., et al. (2023). Fibre-infused gel scaffolds guide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles. Nature Materials. doi.org/10.1038/s41563-023-01611-3.

מ