Hydrogel, Blaubeeren und eine Prise Kurkuma: Künstliches Gefäßsystem

Welches Organ ist das wichtigste im menschlichen Körper? Romantiker werden das Herz sagen, Pragmatiker werden das Gehirn sagen und Realisten werden alles sagen. Und das ist so, weil der menschliche Körper ein harmonischer Mechanismus ist, der aus vielen großen und kleinen Teilen besteht, die zusammenarbeiten. Wenn wir über den wichtigsten Kraftstoff für einen solchen Mechanismus sprechen, fällt uns natürlich einer der ersten Sauerstoff ein. Und die Zufuhr von Sauerstoff ist das Herz-Kreislauf-System. Heute werden wir mit Ihnen eine Studie treffen, in der es Wissenschaftlern gelungen ist, aus einem photopolymerisierbaren Hydrogel ein künstliches Gefäßlabyrinth herzustellen. Wie man künstliche Gefäße herstellt, wie effektiv sind sie, sind sie echten Gefäßen in gewisser Weise unterlegen, und was hat Kurkuma damit zu tun? Dies und nicht nur wir lernen aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Das Herzstück künstlicher Gefäße, deren Hauptaufgabe die Übertragung von Flüssigkeit ist, ist ein Material, das mit Flüssigkeiten einwandfrei funktioniert. Dieses Material wird Hydrogel genannt.

Ein Hydrogel ist eine Kombination von hydrophilen * Polymerketten, die manchmal in Form eines kolloidalen Gels vorliegen, in dem Wasser ein Dispersionsmedium * ist .

Hydrophilie * - die Fähigkeit, Wasser gut zu absorbieren, der Antipode der Hydrophobie (die Fähigkeit eines Moleküls, Wasser abzustoßen).

Dispergiertes System * - eine Verbindung aus mehreren Phasen, die sich nicht vermischen und nicht chemisch miteinander reagieren. Ein bemerkenswertes Beispiel für ein dispergiertes System sind Luft, Wolken, Verbundwerkstoffe usw.

Ein dreidimensionaler Feststoff aus einem Hydrogel wird aufgrund von Kreuzbindungen gebildet, die hydrophile Polymerketten halten. Aus diesem Grund löst sich die strukturelle Integrität des Hydrogel-Netzwerks auch bei hohen Wasserkonzentrationen nicht auf. Gleichzeitig ist Hydrogel ein ausgezeichnetes Absorptionsmittel.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des Hydrogels für diese Studie ist seine Flexibilität, vergleichbar mit der Flexibilität natürlicher Gewebe, die mit einem hohen Wassergehalt verbunden ist.

Nicht nur das Material war ungewöhnlich, sondern auch die Art seiner Anwendung. Da die Morphologie des Gefäß- und Lungensystems sehr kompliziert und verwirrend ist, wäre die Verwendung herkömmlicher 3D-Druckverfahren falsch. Wissenschaftler verwendeten Stereolithographie, um weiche Hydrogele zu erzeugen, die die notwendigen vaskulären „Labyrinthe“ im Inneren enthalten.

Im Gegensatz zum Standard-Extrusionsdruck können Sie beim sequentiellen Anwenden von Voxeln * mit Fotostichen * die Bildprojektion verwenden und gleichzeitig Millionen von Voxeln erstellen.

Voxel * - ein Element eines dreidimensionalen Bildes, wie ein Pixel in einem zweidimensionalen Bild.

Photovernetzung * (Photovernetzung) - die photoinduzierte Bildung einer kovalenten Bindung zwischen zwei Makromolekülen oder zwischen zwei verschiedenen Teilen eines Makromoleküls.

In der Stereolithographie wird die xy- Auflösung durch den Durchgang von Licht bestimmt, während die z- Auflösung durch lichtabsorbierende Additive bestimmt wird, die überschüssiges Licht absorbieren und die Polymerisation auf die gewünschte Schichtdicke begrenzen, wodurch die Genauigkeit des Musters des erzeugten Objekts verbessert wird.

Es ist klarstellbar, dass der Begriff "Auflösung" im dreidimensionalen Druck aufgrund des Vorhandenseins von Dreidimensionalität, dh der x- , y- und z- Achse, mehrere Definitionen gleichzeitig hat.

Die Xy-Auflösung ist die kleinste Bewegung, die ein Laser oder Extruder beim 3D-Druck einer einzelnen Schicht ausführt. Je niedriger dieser Indikator ist, desto genauer ist das Ergebnis. Die Auflösung z ist bereits die Dicke der Schicht selbst.

Wenn keine photoabsorbierenden Additive verwendet werden, ist das Hydrogelmodell hinsichtlich Form und Komplexität der Struktur äußerst begrenzt. Und ein Problem tritt auf: Aufgrund der Toxizität und Karzinogenität solcher Substanzen ist es unmöglich, herkömmliche lichtblockierende Chemikalien zu verwenden, die zur Strukturierung von Fotolack oder zur Herstellung von Kunststoffteilen (z. B. Sudan I - C ₁₆ H ₁₂ N ₂ O) verwendet werden. Aber Wissenschaftler lassen sich nicht so leicht entmutigen. Sie schlugen die Verwendung von synthetischen und natürlichen Lebensmittelfarben vor, die bei der Photoabsorption hervorragende Arbeit leisten und für die menschliche Gesundheit unbedenklich sind.

Die Forscher versuchten zunächst, ein monolithisches Hydrogel herzustellen, das hauptsächlich aus Wasser und Polyethylenglykoldiacrylat mit einem zylindrischen Kanal mit einem Innendurchmesser von 1 mm besteht, der senkrecht zur Lichtprojektionsachse ausgerichtet ist. Aber selbst ein solch einfaches Modell ist sehr schwierig zu erstellen, da der geringe Massenanteil der kombinierten Elemente und die Notwendigkeit einer längeren Polymerisation zur Verfestigung in engen Kanälen führen, die natürlich hohl sein sollten.

Um dieses Problem zu lösen, mussten bestimmte Bestandteile des zukünftigen Modells ausgewählt werden, einschließlich der Lebensmittelfarbe. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Verwendung von Tartrazin (gelbe Lebensmittelfarbe, E102), Curcumin (aus Kurkuma) oder Anthocyanin (aus Blaubeeren) es Ihnen ermöglicht, ein Hydrogel mit einem Gefäßlabyrinth ohne Aushärtung zu erhalten, wodurch der Flüssigkeitsfluss durch den Kanal blockiert wird.

Unter den anorganischen Verbindungen zeigten Goldnanopartikel (50 nm) hervorragende Ergebnisse, die sich durch einen hohen Grad an Lichtabsorption und eine gute Biokompatibilität auszeichnen.

Forschungsergebnisse

Die Forscher kombinierten alle oben genannten Entdeckungen und früheren Entwicklungen und begannen mit der praktischen Implementierung eines Hydrogels, das ein Gefäßnetzwerk enthält.

Der erste Schritt bestand darin, chaotische Mischer (Mischer) zu testen, dh intravaskuläre Topologien, die * Flüssigkeiten infolge von Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeitsströmen und Gefäßgeometrie homogenisieren .

Homogenisierung * ist der Prozess der Verringerung der Heterogenität der Verteilung von Chemikalien und Phasen über das Volumen eines für sie gemeinsamen Systems.

Ein monolithisches Hydrogel wurde mit einem eingebauten statischen (festen) Mischer erzeugt, der aus dreidimensionalen Wirbelschaufeln (150 mm Dicke) mit alternierender Chiralität innerhalb eines 1 mm zylindrischen Kanals bestand.


Bild Nr. 1

Um die Funktionsfähigkeit eines solchen Mischers zu testen, wurden laminare Flüssigkeitsströme mit einer niedrigen Reynolds-Zahl (0,002) auf den statischen Mischer aufgebracht. Als Ergebnis wurde ein schnelles Mischen pro Längeneinheit ( 1A ) in Abhängigkeit von der Anzahl der Schaufeln beobachtet.

Als nächstes schufen die Wissenschaftler eine dreidimensionale bikuspide Venenklappe ( 1B ). Die Ventile dieses Ventils waren dynamisch (beweglich) und reagierten schnell auf pulsierende anterograde (Vorwärtsbewegung) und retrograde (Rückwärtsbewegung) Flüssigkeitsströme. Es ist auch erwähnenswert, dass sich in den Nebenhöhlen des Ventils stabile Wirbel bilden, was voll und ganz mit dem Verhalten dieses Ventils übereinstimmt.


Demonstration der Arbeit der künstlichen dreidimensionalen Hydrogel-Bicuspid-Venenklappe.

Der nächste Schritt sind komplexere und kompliziertere Gefäßsysteme, die aus mehreren Labyrinthen bestehen können. Das Wichtigste ist, dass sie sich nicht schneiden, da sonst ein großes Labyrinth entsteht, wenn zwei oder mehr voneinander getrennte Ströme unabhängig voneinander benötigt werden. Die von Wissenschaftlern verwendeten mathematischen Algorithmen zum Füllen des Raums und der fraktalen Topologie haben gute Ergebnisse beim Entwurf von zwei Gefäßlabyrinthen gezeigt, die sich nicht schneiden.


Bild Nr. 2

Die Forscher testeten mehrere Architekturoptionen mit zwei disjunkten Kanälen: einer Spirale um einen geraden (axialen) Kanal ( 2A ); Hilbert-Kurven 1 ° und 2 ° ( 2B ); bikontinuierliches kubisches Gitter ( 2C ); torischer Knoten um den Torus ( 2D ).


Demonstration aller Varianten der Gefäßarchitektur, bestehend aus zwei unabhängigen Kanälen.

Als nächstes überprüften die Wissenschaftler, wie effektiv ihr künstliches Gefäßsystem seine Hauptaufgaben erfüllt - den Sauerstofftransport. Eine Flüssigkeit mit sauerstofffreien roten Blutkörperchen (Sauerstoffsättigung ≤ 45%) durchlief einen Spiralkanal ( 2E ), der mit angefeuchtetem gasförmigem Sauerstoff (7 kPa) angereichert war. Am Ausgang sehen Sie die Farbänderung von dunkelrot nach hellrot, was auf die Sättigung der roten Blutkörperchen mit Sauerstoff während des Durchgangs der Flüssigkeit durch den Kanal ( 2F und 2G ) hinweist. Die Analyse der roten Blutkörperchen nach diesem Test bestätigte einen Anstieg der Sauerstoffsättigung.

Ein solches spiralförmiges Gefäßsystem ist recht einfach, wie die Wissenschaftler selbst sagen. Und trotz der hervorragenden Oxygenierungsergebnisse ist es notwendig, das Modell unter strengeren Bedingungen zu testen. Das Modell unserer Lunge ist dafür perfekt, da in diesem Fall nicht nur die Möglichkeit des Aufbaus eines komplexen Gefäßnetzwerks berücksichtigt werden muss, sondern auch deren Elastizität, ein wichtiger Indikator aufgrund der Dynamik der Lunge. Wissenschaftler haben auf der Grundlage ihrer früheren Arbeiten und der Arbeit ihrer Kollegen ein Alveolarmodell mit einem umhüllenden Gefäßnetzwerk erstellt, das auf dem Prinzip einer komplexen dreidimensionalen Struktur aus „Weir-Felan-Schaum“ basiert.


Bild Nr. 3

Weir-Phelan-Schaum basiert auf konvexen Polyedern, aber dies hört nicht auf, konkave Polyeder zu erzeugen, die Alveolar-Luftsäcken mit einem gemeinsamen Atrium der Atemwege ähneln ( 3A ). Das resultierende Modell bestand aus 185 Gefäßsegmenten und 113 Schnittpunkten.

Als nächstes wurde das Modell zum Drucken angewendet. Die Größe der Geldscheine betrug 5 pl und die Druckzeit betrug 1 Stunde ( 3B ). Die zyklische Belüftung der kombinierten Atemwege mit angefeuchtetem gasförmigem Sauerstoff führte zu einer merklichen Dehnung und Krümmung der konkaven Atemwege. Die Perfusion von sauerstofffreien roten Blutkörperchen am Eingang zum Gefäßsystem (von 10 bis 100 mm / min) während der zyklischen Beatmung führte zu einer merklichen Kompression und Clearance der roten Blutkörperchen aus Gefäßen neben den konkaven Regionen der Atemwege ( 3C ).


Demonstration des Alveolarmodells mit einem umhüllenden Gefäßnetzwerk.

Die Analysedaten des Rechenmodells bestätigten die anisotrope Dehnung der konkaven Atemwege während des Aufblasens, d. H. Der Expansion ( 3D ).

Während das Hydrogelvolumen (0,8 ml) im Alveolarmodell etwa 25% des Volumens des Spiralmodells beträgt, ist die Oxygenierungseffizienz beider Modelle nahezu identisch ( 3E ).

Wissenschaftler glauben, dass die verzweigte (Maschen-) Topologie des Hydrogels und seine Ausdehnung sowie die Umleitung von Strömungen während der Beatmung die Absorption von Sauerstoff durch rote Blutkörperchen, dh ihre Sauerstoffversorgung, erhöhen können.


Vergleich von sauerstofffreien (linken) roten Blutkörperchen und sauerstoffhaltigen (rechten) roten Blutkörperchen im hergestellten Gefäßsystem.

Einer der wichtigsten Punkte ist die Skalierbarkeit. Mit anderen Worten, es ist notwendig, den Ort des Eintritts / Austritts des Gefäßsystems und des Kanals zu berücksichtigen, damit diese Architektur so nah wie möglich an der realen Lunge liegt. Das anfängliche Testvolumen des Hydrogels führte zu einem stark verzweigten System ( 3F ). Eingangs- und Ausgangsgefäßsysteme sollten in einem Winkel von 180 Grad zueinander angeordnet und topologisch vom Atemtrakt entfernt sein. Die Gefäße selbst sollten die am weitesten entfernten Äste erreichen, dh die Alveolarvesikel, bestehend aus 354 Gefäßsegmenten und 233 Gefäßschnittpunkten ( 3G ).

Tests des erhaltenen Alveolarmodells zeigten, dass es mehr als 10.000 Beatmungszyklen bei einem Druck von 24 kPa und einer Frequenz von 0,5 Hz für 6 Stunden standhalten kann. Gleichzeitig wurden während des Tests angefeuchteter Sauerstoff und angefeuchteter Stickstoff ( 3H , 3J ) verwendet.

Auf Bild 3I ist deutlich zu sehen, dass das entwickelte System die Vermischung roter Blutkörperchen und die Bidirektionalität von Flüssen innerhalb einzelner Segmente von Blutgefäßen ermöglicht.


Demonstration eines Lungenmodells bestehend aus mehreren Alveolen.

Das entwickelte System zeigt, wie wir bereits verstanden haben, während der Tests hervorragende Ergebnisse, aber eine weitere wichtige Frage bleibt - ist das Hydrogelmodell mit lebenden Zellen kompatibel.

Um dies zu überprüfen, verwendeten die Wissenschaftler die Stereolithographie, um dieselben Modelle wie oben beschrieben herzustellen, die jedoch bereits lebende Säugetierzellen enthielten. Menschliche mesenchymale Stammzellen fungierten als solche Zellen. Die Analyse des resultierenden Systems zeigte, dass Zellen innerhalb der Hydrogelstruktur lebensfähig bleiben und eine osteogene Differenzierung erfahren können.

Solche positiven Ergebnisse konnten nicht ohne Überprüfung belassen werden, da die Wissenschaftler beschlossen, eine Reihe von Tests durchzuführen, um den Grad der Nützlichkeit dieser Methode zur Herstellung biokompatibler künstlicher Systeme festzustellen.

Die Leber wurde als Grundlage genommen, denn dieses Organ erfüllt eine Reihe der wichtigsten Funktionen im Körper, deren Erfolg stark von der strukturellen Topologie dieses Organs abhängt.


Bild Nr. 4

Die Forscher schufen eine komplexe Hydrogelstruktur, die aus vielen einzelligen Geweben und Hydrogelträgern besteht, die Hepatozytenaggregate ( 4A - 4C ) enthalten.

Die Promotoraktivität von Albumin von Gewebeträgern, die Aggregate enthielten, war im Vergleich zur Aktivität von implantierten Geweben, die einzelne Zellen enthielten ( 4B , 4C ), um mehr als das 60-fache erhöht. Zusätzlich wurden bei einer gründlichen Untersuchung der Gewebe nach der Resektion die Hydrogel-Trägergewebe stärker in das Gewebe und Blut der Testmaus ( 4D ) integriert.

Hepatische Aggregate sind besser als einzelne Zellen, aber sie erhöhen die Komplexität bei der Erstellung von Hydrogelmodellen, da ihre Größe die niedrigste Auflösung von Voxeln (50 mm) überschreitet.

Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler ihre eigene Aggregat-Carrier-Architektur ( 4E ) erstellt. Das Mikrokanal-Netzwerk wurde mit Endothelzellen der menschlichen Nabelschnurvene besiedelt, da dies das Überleben des Gewebes verbessert. Ferner wurde dieses künstliche System mit chronischer Schädigung des Nagetiers in die Leber transplantiert. 14 Tage nach der Implantation wurde die Aktivität des Albumin-Promotors beobachtet, was das Überleben von funktionellen Hepatozyten anzeigt, d. H. Die Lebensfähigkeit der transplantierten Leberzellen ( 4F ). Die immunhistologische Analyse zeigte das Vorhandensein von Leberaggregaten auf der Oberfläche der gedruckten Hydrogelkomponenten ( 4F und 4G ). Zusätzlich zeigte eine herkömmliche Analyse der Bilder das Vorhandensein von Blut des Trägerindividuums innerhalb des implantierten Hydrogelsystems, was erneut das Fehlen jeglicher Abstoßung bestätigt.

Um die Nuancen und Details der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Das Ergebnis dieser Studie ist ein Gefäßsystem, das auf Hydrogel und natürlichen / künstlichen Lebensmittelfarben basiert und seine Hauptaufgaben, insbesondere den Sauerstofftransfer, perfekt bewältigt. Darüber hinaus verwendeten die Wissenschaftler eine nicht ganz standardmäßige Druckmethode (Stereolithographie), mit der Sie in relativ kurzer Zeit komplexe Architekturen erstellen können. In Zukunft wollen die Wissenschaftler ihre Idee verbessern, da das Gefäßsystem jedes Organs oder Körperteils seine eigenen Eigenschaften aufweist, die bei der Entwicklung eines fortschrittlicheren künstlichen Hydrogelanalogons berücksichtigt, untersucht und berücksichtigt werden müssen.

Die Schaffung künstlicher Gewebe, ihrer Aggregate und anschließend der Organe ist ein mühsamer und sehr komplexer Prozess. Aber gute Taten sind sehr oft mit Schwierigkeiten behaftet. Und diese Studie kann nichts anderes als eine gute Tat genannt werden. Das erste Problem, das eine kranke Person, die eine Transplantation eines Organs benötigt, hat, ist die Erwartung. Laut einigen Quellen sterben beispielsweise in den USA täglich 20 Menschen in einer Warteschlange für eine Lebertransplantation. Das zweite Problem ist der Spender. Sie können nicht einfach das Organ einer Person nehmen und es einer anderen übertragen. Die Kompatibilität einer Reihe von Parametern ist erforderlich. Und das zweite Problem speist das erste reibungslos und verlängert die Wartezeit für die Rettungsaktion.

Natürlich ist der Massenanbau von Organen und Systemen wie Tomaten auf einem Bauernhof mit weiterer Transplantation nur die Zukunft, aber wie weit es von solchen Studien und ihrem Erfolg abhängt. Wenn wir speziell über die heutige Arbeit sprechen, können wir sagen, dass eine solche Zukunft etwas näher gerückt ist.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs!

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