هيدروجيل ، العنب البري ، وقرصة الكركم: نظام الأوعية الدموية الاصطناعي

أي عضو هو الأكثر أهمية في جسم الإنسان؟ سيقول الرومانسيون القلب ، والبراغماتيين سيقولون الدماغ ، والواقعيون سيقولون كل شيء. وهذا صحيح ، لأن جسم الإنسان هو آلية متناغمة تتكون من أجزاء كثيرة ، كبيرة وصغيرة ، تعمل في انسجام تام. إذا تحدثنا عن الوقود الأكثر أهمية لمثل هذه الآلية ، فحينئذٍ واحدة من أولى ، بالطبع ، تتبادر إلى الذهن الأكسجين. وتسليم الأكسجين هو نظام القلب والأوعية الدموية. سنلتقي بكم اليوم دراسة تمكن فيها العلماء من إنشاء متاهة اصطناعية من هيدروجيل هيدروجيل ضوئي. كيف تصنع أوعية اصطناعية ، وما مدى فاعليتها ، وهل هي أدنى من بعض الطرق إلى الأوعية الحقيقية ، وما علاقة الكركم به؟ هذا وليس فقط نتعلم من تقرير مجموعة البحث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

في قلب الأوعية الصناعية ، وتتمثل مهمتها الرئيسية في نقل السوائل ، تكمن المادة التي تعمل مع السوائل على ما يرام. وتسمى هذه المواد هيدروجيل.

الهيدروجيل عبارة عن مزيج من سلاسل البوليمر المحبة للماء ، والتي توجد أحيانًا في شكل هلام الغروية ، حيث يكون الماء وسط تشتت * .

Hydrophilicity * - القدرة على امتصاص الماء بشكل جيد ، و antipode من hydrophobicity (قدرة الجزيء على صد الماء).

النظام المشتت * - مركب من عدة مراحل لا تختلط ولا تتفاعل كيميائيًا مع بعضها البعض. من الأمثلة الصارخة على النظام المشتت هو الهواء ، السحابة ، المواد المركبة ، إلخ.

يتم تشكيل مادة صلبة ثلاثية الأبعاد من هيدروجيل بسبب الروابط المتقاطعة التي تحمل سلاسل البوليمر المحبة للماء. لهذا السبب ، فإن البنية الهيكلية لشبكة هيدروجيل لا تذوب حتى في التركيزات العالية للمياه. في الوقت نفسه ، هيدروجيل ماصة ممتازة.

ميزة أخرى مهمة من هيدروجيل لهذه الدراسة هي مرونتها ، مقارنة بمرونة الأنسجة الطبيعية ، والتي ترتبط مع نسبة عالية من الماء.

لم تكن المواد غير عادية فحسب ، بل كانت طريقة تطبيقها أيضًا. نظرًا لأن التشكل في الأوعية الدموية والجهاز الرئوي معقد للغاية ومربك ، فإن استخدام طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية سيكون خطأ. استخدم العلماء التصوير المجسم لإنتاج الهلاميات المائية الناعمة التي تحتوي على "متاهات" الأوعية الدموية اللازمة في الداخل.

على عكس طباعة النتوء القياسية ، عندما يتم تطبيق voxels * بالتتابع ، تتيح لك ميزة دمج الصور * استخدام صورة الإسقاط وإنشاء ملايين من voxels في وقت واحد.

Voxel * - عنصر في صورة ثلاثية الأبعاد ، مثل بكسل في صورة ثنائية الأبعاد.

ارتباط ضوئي * (ارتباط ضوئي) - التشكيل الموثق للرابطة التساهمية بين جزيئين كبيرين أو بين جزأين مختلفين من جزيء واحد كبير.

في التصوير المجسم ، يتم تحديد دقة xy بمرور الضوء ، في حين يتم تحديد درجة الدقة z بواسطة إضافات ممتصة للضوء تمتص الضوء الزائد وتحد البلمرة إلى سمك الطبقة المرغوبة ، وبالتالي تحسين دقة نمط الكائن المُنشأ.

تجدر الإشارة إلى أن مصطلح "الدقة" في الطباعة ثلاثية الأبعاد له عدة تعريفات في وقت واحد ، بسبب وجود الأبعاد الثلاثة ، وهي محاور x و y و z .

دقة Xy هي أصغر حركة تتم بواسطة الليزر أو الطارد أثناء الطباعة ثلاثية الأبعاد لطبقة واحدة. كلما انخفض هذا المؤشر ، كلما كانت النتيجة أكثر دقة. القرار z هو بالفعل سمك الطبقة نفسها.

إذا لم يتم استخدام إضافات الامتصاص الضوئي ، فسيكون نموذج هيدروجيل محدودًا للغاية من حيث الشكل والتعقيد للهيكل. وهناك مشكلة واحدة تنشأ: من المستحيل استخدام مواد كيميائية تقليدية مانعة للضوء تستخدم لبناء مقاوم الضوء أو لتصنيع الأجزاء البلاستيكية (على سبيل المثال ، السودان I - C ₁₆ H ₁₂ N ₂ O) بسبب سمية هذه المواد وسرطاناتها. لكن العلماء ليسوا بهذه السهولة. اقترحوا استخدام الألوان الغذائية الطبيعية والطبيعية ، والتي تقوم بعمل ممتاز مع امتصاص ضوئي وآمنة لصحة الإنسان.

حاول الباحثون في البداية إنشاء هيدروجيل أحادي الليث ، يتكون أساسًا من ديليكريات الماء والبولي إيثيلين جليكول بقناة أسطوانية بقطر 1 مم ، موجه عموديًا على محور الإسقاط الضوئي. ولكن حتى من الصعب إنشاء مثل هذا النموذج البسيط نظرًا لحقيقة أن الكتل المنخفضة للعناصر المراد دمجها والحاجة إلى بلمرة أطول تؤدي إلى التصلب في القنوات الضيقة ، والتي ينبغي أن تكون مجوفة بشكل طبيعي.

لحل هذه المشكلة ، كان من الضروري تحديد بعض العناصر المكونة للنموذج المستقبلي ، بما في ذلك تلوين الطعام. لقد وجد العلماء أن استخدام التارتازين (تلوين الطعام الأصفر ، E102) ، الكركمين (من الكركم) أو الأنثوسيانين (من التوت الأزرق) يسمح لك بالحصول على هيدروجيل مع متاهة الأوعية الدموية دون تصلب ، ومنع تدفق السوائل عبر القناة.

من بين المركبات غير العضوية ، تم عرض نتائج ممتازة بواسطة جزيئات الذهب النانوية (50 نانومتر) ، والتي تتميز بدرجة عالية من امتصاص الضوء والتوافق الحيوي الجيد.

نتائج البحوث

بدمج جميع الاكتشافات السابقة والتطورات السابقة ، بدأ الباحثون في التنفيذ العملي لهيدروجيل يحتوي على شبكة الأوعية الدموية.

كانت الخطوة الأولى هي اختبار الخلاطات الفوضوية (الخلاطات) ، أي طبولوجيا داخل الأوعية التي تقوم بتجانس السوائل * نتيجة للتفاعلات بين تدفقات السوائل وهندسة الوعاء.

التجانس * هو عملية الحد من عدم تجانس توزيع المواد الكيميائية والمراحل على حجم النظام الموحد بالنسبة لهم.

تم إنشاء هيدروجيل أحادي الليثية بخلاط ثابت (ثابت) مدمج يتكون من شفرات دوامة ثلاثية الأبعاد (سمك 150 ملم) مع تناوب زمني داخل قناة أسطوانية قطرها 1 مم.


الصورة رقم 1

لاختبار إمكانية تشغيل مثل هذا الخلاط ، تم تطبيق تدفقات سائل الصفائح على الخلاط الساكن ذي رقم رينولدز المنخفض (0.002). نتيجة لذلك ، لوحظ خلط سريع لكل وحدة طول ( 1A ) واعتمادًا على عدد الشفرات.

بعد ذلك ، ابتكر العلماء صمامًا وريديًا ذا ثنائيات الأبعاد ( 1B ). كانت صمامات هذا الصمام ديناميكية (متحركة) وسرعان ما استجابت لتدفقات التغير النبضي (الحركة الأمامية) وتدفق السوائل إلى الوراء (الحركة العكسية). تجدر الإشارة أيضًا إلى تكوين دوامات مستقرة في الجيوب الأنفية للصمام ، وهو ما يتوافق تمامًا مع سلوك هذا الصمام.


مظاهرة عمل صمام هيدروجيل بيكوسبيد الوريدي الاصطناعي ثلاثي الأبعاد.

الخطوة التالية هي أنظمة الأوعية الدموية الأكثر تعقيدًا وتعقيدًا ، والتي قد تتكون من عدة متاهات. الشيء الأكثر أهمية هو أنه يجب ألا تتقاطع ، وإلا ستكون النتيجة متاهة واحدة كبيرة عندما تكون هناك حاجة إلى اثنين أو أكثر منفصلين ، مستقل عن كل التدفقات الأخرى. أظهرت الخوارزميات الرياضية لملء الفراغ والطوبولوجيا الكسورية التي يستخدمها العلماء نتائج جيدة في تصميم متاهات وعائية لا تتقاطع.


الصورة رقم 2

اختبر الباحثون العديد من خيارات الهندسة المعمارية بقناتين مفكّتين: حلزوني حول قناة مستقيمة (محورية) ( 2A ) ؛ منحنيات هيلبرت 1 درجة و 2 درجة ( 2B ) ؛ شبكي مكعب مكعب ( 2C ) ؛ عزم الدوران حول العزم ( 2D ).


مظاهرة لجميع أشكال العمارة الوعائية ، التي تتألف من قناتين مستقلتين.

بعد ذلك ، فحص العلماء مدى فعالية نظامهم الوعائي الاصطناعي في الوفاء بمسؤولياته الرئيسية - نقل الأكسجين. يمر السائل مع خلايا الدم الحمراء غير المؤكسدة (تشبع الأكسجين ≤ 45 ٪) من خلال قناة حلزونية ( 2E ) المخصب مع الأكسجين الغازي المبلل (7 كيلو باسكال). عند الإخراج ، يمكنك رؤية تغيير اللون من الأحمر الداكن إلى الأحمر الفاتح ، مما يشير إلى تشبع خلايا الدم الحمراء بالأكسجين أثناء مرور السائل عبر القناة ( 2F و 2G ). وأكد تحليل خلايا الدم الحمراء بعد هذا الاختبار زيادة في تشبع الأكسجين.

مثل هذا النظام الوعائي الحلزوني بسيط للغاية ، كما يقول العلماء أنفسهم. وعلى الرغم من نتائج الأوكسجين الممتازة ، من الضروري اختبار النموذج في ظل ظروف أكثر صرامة. نموذج رئتنا مثالي لهذا ، لأنه في هذه الحالة من الضروري مراعاة ليس فقط إمكانية بناء شبكة معقدة من الأوعية الدموية ، ولكن أيضًا مرونتها - وهو مؤشر مهم بسبب ديناميات الرئتين. قام العلماء ، استنادًا إلى إنجازاتهم السابقة وأعمال زملائهم ، بإنشاء نموذج السنخية مع شبكة الأوعية الدموية المغلفة ، والتي تقوم على مبدأ بنية ثلاثية الأبعاد معقدة من "رغوة Weir-Felan".


الصورة رقم 3

تعتمد رغوة Weir-Phelan على تعدد الوجوه المحدبة ، لكن هذا لا يتوقف عن إنشاء تلك المقعرة التي ستشبه الأكياس الهوائية السنخية مع الأذين المشترك للممرات الهوائية ( 3A ). يتكون النموذج الناتج من 185 قطعة وعائية و 113 نقطة تقاطع.

بعد ذلك ، تم تطبيق النموذج للطباعة. كان حجم الفواتير 5 رطل ، وكان وقت الطباعة 1 ساعة ( 3B ). أدى التهوية الدورية للممرات الهوائية المركبة مع الأكسجين الغازي المرطب إلى امتداد وانحناء ملحوظين في الشعب الهوائية المقعرة. أدى نضح خلايا الدم الحمراء غير المؤكسدة عند مدخل الجهاز الوعائي (من 10 إلى 100 مم / دقيقة) أثناء التهوية الدورية إلى انضغاط خلايا الدم الحمراء وتطهيرها بشكل ملحوظ من الأوعية المتاخمة للمناطق المقعرة في الجهاز التنفسي ( 3C ).


عرض نموذج السنخية مع شبكة الأوعية الدموية المغلفة.

أكدت بيانات تحليل النموذج الحسابي التمدد الخواص للأوعية الهوائية المقعرة أثناء التضخم ، أي التوسع ( ثلاثي الأبعاد ).

في حين أن حجم هيدروجيل (0.8 مل) في نموذج السنخية هو حوالي 25 ٪ من حجم النموذج الحلزوني ، فإن كفاءة الأوكسجين في كلا النموذجين متطابقة تقريبا ( 3E ).

يعتقد العلماء أن طوبولوجيا (شبكة) المتفرعة للهيدروجيل وتمديده ، وكذلك إعادة توجيه التدفقات أثناء التهوية ، يمكن أن تزيد من امتصاص الأكسجين بواسطة خلايا الدم الحمراء ، أي الأوكسجين بهم.


مقارنة خلايا الدم الحمراء المؤكسدة (يسار) وخلايا الدم الحمراء المؤكسجة (يمين) داخل نظام الأوعية الدموية ملفقة.

واحدة من أهم النقاط هو قابلية التوسع. بمعنى آخر ، من الضروري مراعاة موقع دخول / خروج نظام الأوعية الدموية والقناة بحيث تكون هذه البنية أقرب ما تكون إلى الرئتين الحقيقيتين. أدى حجم الاختبار الأولي للهيدروجيل إلى نظام متفرّع للغاية ( 3F ). يجب أن تكون أنظمة الدخول والخروج الأوعية الدموية بزاوية 180 درجة بالنسبة لبعضها البعض وأن تكون مهجورة طوبولوجيا من الجهاز التنفسي. يجب أن تصل الأوعية نفسها إلى أبعد الفروع ، أي إلى الحويصلات السنخية ، والتي تتكون من 354 قطعة وعائية و 233 نقطة تقاطع وعائي ( 3G ).

أظهر اختبار النموذج السنخي الذي تم الحصول عليه أنه قادر على تحمل أكثر من 10،000 دورة تهوية بضغط 24 كيلو باسكال وتردد 0.5 هرتز لمدة 6 ساعات. في الوقت نفسه ، تم استخدام الأكسجين المرطب والنيتروجين المرطب ( 3H ، 3J ) خلال الاختبار.

يظهر في الصورة 3I بوضوح أن النظام المتطور يوفر خلط خلايا الدم الحمراء واتجاهية التدفقات داخل قطاعات فردية من الأوعية الدموية.


مظاهرة لنموذج رئوي يتكون من عدة السنخية.

يُظهر النظام المتقدم نتائج ممتازة أثناء الاختبارات ، كما فهمنا بالفعل ، ولكن يبقى سؤال مهم آخر - هو نموذج الهيدروجيل المتوافق مع الخلايا الحية.

للتحقق من ذلك ، استخدم العلماء الطباعة الحجرية المجسمة لصنع نفس النماذج كما هو موضح أعلاه ، ولكن تحتوي بالفعل على خلايا الثدييات الحية. الخلايا الجذعية الوسيطة البشرية تعمل مثل هذه الخلايا. أظهر تحليل النظام الناتج أن الخلايا الموجودة داخل هيكل هيدروجيل تظل قابلة للحياة ويمكن أن تخضع للتمايز العظمي.

لا يمكن ترك هذه النتائج الإيجابية دون التحقق ، لأن العلماء قرروا إجراء سلسلة من الاختبارات لتحديد درجة فائدة هذه الطريقة في تصنيع النظم الاصطناعية المتوافقة مع الحياة.

تم أخذ الكبد كأساس ، لأن هذا العضو يؤدي عددًا من أهم الوظائف في الجسم ، ويعتمد نجاحه اعتمادًا كبيرًا على الهيكلية الهيكلية لهذا الجهاز.


الصورة رقم 4

ابتكر الباحثون بنية هيدروجيل معقدة تتكون من العديد من الأنسجة أحادية الخلية وناقلات هيدروجيل تحتوي على مجاميع خلايا الكبد ( 4A - 4C ).

تم زيادة نشاط المروج لألبومين ناقلات الأنسجة التي تحتوي على المجاميع بأكثر من 60 مرة مقارنة مع نشاط الأنسجة المزروعة التي تحتوي على خلايا وحيدة ( 4B ، 4C ). بالإضافة إلى ذلك ، مع فحص شامل للأنسجة بعد الاستئصال ، كانت الأنسجة الحاملة للهيدروجيل أكثر تكاملاً مع الأنسجة والدم من فأر الاختبار ( 4D ).

تعتبر المجاميع الكبدية أفضل من الخلايا المفردة ، ولكنها تضيف تعقيدًا إلى عملية إنشاء نماذج هيدروجيل ، لأن حجمها يتجاوز أدنى درجة من الفوكسيل (50 ملم).

لحل هذه المشكلة ، أنشأ العلماء بنية الناقل الكلي الخاصة بهم ( 4E ). تم زرع شبكة microchannel مع الخلايا البطانية الوريدية البشرية ، وهذا يحسن بقاء الأنسجة. علاوة على ذلك ، تم زرع هذا النظام الاصطناعي في الكبد مع تلف مزمن في القوارض. بعد 14 يومًا من الزرع ، لوحظ نشاط مروج الألبومين ، مما يدل على بقاء خلايا الكبد الوظيفية ، أي صلاحية خلايا الكبد المزروعة ( 4F ). وأظهر التحليل المناعي وجود المجاميع الكبدية على سطح مكونات هيدروجيل المطبوعة ( 4F و 4G ). بالإضافة إلى ذلك ، أظهر تحليل تقليدي للصور وجود دم الشخص الحامل داخل نظام هيدروجيل المزروع ، مما يؤكد مرة أخرى عدم وجود أي رفض.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة وتفاصيلها ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

نتيجة هذه الدراسة هو نظام الأوعية الدموية القائمة على ألوان هيدروجيل والأغذية الطبيعية / الاصطناعية ، والتي تتكيف تماما مع مهامها الرئيسية ، لا سيما مع نقل الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك ، استخدم العلماء طريقة طباعة غير قياسية تمامًا (الطباعة الحجرية المجسمة) ، والتي تسمح لك بإنشاء تصميمات معقدة في وقت قصير إلى حد ما. في المستقبل ، يعتزم العلماء تحسين بنات أفكارهم ، لأن نظام الأوعية الدموية لكل عضو أو جزء من الجسم له خصائصه الخاصة ، والتي يجب مراعاتها ودراستها وأخذها في الاعتبار عند تطوير تناظرية اصطناعية هيدروجيل أكثر تقدما.

إنشاء الأنسجة الاصطناعية ، مجاميعها والأعضاء في وقت لاحق هو عملية شاقة ومعقدة للغاية. لكن الأعمال الصالحة غالباً ما تكون محفوفة بالصعوبات. وهذه الدراسة لا يمكن أن تسمى أي شيء آخر غير العمل الصالح. المشكلة الأولى التي يواجهها الشخص المريض في حاجة إلى زرع أي عضو هي التوقع. على سبيل المثال ، وفقًا لبعض المصادر ، يموت 20 شخصًا في طابور لإجراء عملية زرع كبد في الولايات المتحدة يوميًا. المشكلة الثانية هي الجهة المانحة. لا يمكنك فقط اصطحاب العضو الشخصي وزرعه إلى شخص آخر. توافق عدد من المعلمات مطلوب. والمشكلة الثانية تغذي بسلاسة الأولى ، وتطيل وقت الانتظار لعملية الإنقاذ.

بطبيعة الحال ، فإن الزراعة الجماعية للأعضاء والأنظمة ، مثل الطماطم في المزرعة ، مع المزيد من عمليات الزرع ليست سوى المستقبل ، ولكن إلى أي مدى يعتمد على مثل هذه الدراسات ونجاحها. عند الحديث بشكل خاص عن أعمال اليوم ، يمكننا القول أن هذا المستقبل أصبح أقرب قليلاً.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب!

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟