Hydrogel, myrtilles et une pincée de curcuma: système vasculaire artificiel

Quel organe est le plus important dans le corps humain? Les romantiques diront le cœur, les pragmatistes diront le cerveau et les réalistes diront tout. Et il en est ainsi, car le corps humain est un mécanisme harmonieux composé de nombreuses parties, grandes et petites, travaillant à l'unisson. Si nous parlons du carburant le plus important pour un tel mécanisme, alors l'un des premiers, bien sûr, vient à l'esprit de l'oxygène. Et l'apport d'oxygène est le système cardiovasculaire. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude dans laquelle les scientifiques ont réussi à créer un labyrinthe vasculaire artificiel à partir d'un hydrogel photopolymérisable. Comment ont-ils créé des vaisseaux artificiels, quelle est leur efficacité, sont-ils inférieurs à certains égards aux vrais vaisseaux, et qu'est-ce que le curcuma a à voir avec cela? Ceci et pas seulement nous apprenons du rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Au cœur des vaisseaux artificiels, dont la tâche principale est le transfert de fluide, se trouve un matériau qui fonctionne très bien avec les liquides. Ce matériau est appelé hydrogel.

Un hydrogel est une combinaison de chaînes polymères hydrophiles * , parfois sous forme de gel colloïdal, dans laquelle l'eau est un milieu de dispersion * .

Hydrophilicité * - la capacité d'absorber bien l'eau, l'antipode de l'hydrophobie (la capacité d'une molécule à repousser l'eau).

Système dispersé * - composé de plusieurs phases qui ne se mélangent pas et ne réagissent pas chimiquement entre elles. Un exemple frappant d'un système dispersé est l'air, les nuages, les matériaux composites, etc.

Un solide tridimensionnel à partir d'un hydrogel est formé en raison de liaisons croisées contenant des chaînes polymères hydrophiles. Pour cette raison, l'intégrité structurelle du réseau d'hydrogel ne se dissout pas, même à des concentrations élevées en eau. En même temps, l'hydrogel est un excellent absorbant.

Une autre caractéristique importante de l'hydrogel pour cette étude est sa flexibilité, comparable à la flexibilité des tissus naturels, qui est associée à une forte teneur en eau.

Non seulement le matériau était inhabituel, mais aussi la méthode de son application. Étant donné que la morphologie des systèmes vasculaire et pulmonaire est très compliquée et déroutante, l'utilisation de méthodes d'impression 3D conventionnelles serait erronée. Les scientifiques ont utilisé la stéréolithographie pour créer des hydrogels mous contenant les «labyrinthes» vasculaires nécessaires à l'intérieur.

Contrairement à l'impression par extrusion standard, lorsque les voxels * sont appliqués séquentiellement, l' assemblage de photos * vous permet d'utiliser la projection d'image et de créer des millions de voxels simultanément.

Voxel * - un élément d'une image en trois dimensions, comme un pixel dans une image en deux dimensions.

Photoréticulation * (photoréticulation) - la formation photoinduite d'une liaison covalente entre deux macromolécules ou entre deux parties différentes d'une macromolécule.

En stéréolithographie, la résolution xy est déterminée par le passage de la lumière, tandis que la résolution z est déterminée par des additifs absorbant la lumière qui absorbent l'excès de lumière et limitent la polymérisation à l'épaisseur de couche souhaitée, améliorant ainsi la précision du motif de l'objet créé.

Il convient de préciser que le terme "résolution" dans l'impression tridimensionnelle a plusieurs définitions à la fois, en raison de la présence de la tridimensionnalité, c'est-à-dire les axes x , y et z .

La résolution Xy est le plus petit mouvement effectué par un laser ou une extrudeuse lors de l'impression 3D d'une seule couche. Plus cet indicateur est bas, plus le résultat est précis. La résolution z est déjà l'épaisseur de la couche elle-même.

Si aucun additif photoabsorbant n'est utilisé, le modèle d'hydrogel sera extrêmement limité en termes de forme et de complexité de la structure. Et un problème se pose: il est impossible d'utiliser des produits chimiques conventionnels bloquant la lumière qui sont utilisés pour structurer la résine photosensible ou pour fabriquer des pièces en plastique (par exemple, Soudan I - C ₁₆ H ₁₂ N ₂ O) en raison de la toxicité et de la cancérogénicité de ces substances. Mais les scientifiques ne sont pas si facilement découragés. Ils ont proposé l'utilisation de colorants alimentaires synthétiques et naturels, qui font un excellent travail avec la photoabsorption et sont sans danger pour la santé humaine.

Les chercheurs ont d'abord tenté de créer un hydrogel monolithique, composé principalement d'eau et de diacrylate de polyéthylène glycol avec un canal cylindrique d'un diamètre de 1 mm à l'intérieur, orienté perpendiculairement à l'axe de projection de lumière. Mais même un modèle aussi simple est très difficile à créer en raison du fait que la faible fraction massique des éléments combinés et la nécessité d'une polymérisation plus longue conduisent à une solidification dans des canaux étroits, qui doivent naturellement être creux.

Pour résoudre ce problème, il a fallu sélectionner certains éléments constitutifs du futur modèle, dont le colorant alimentaire. Les scientifiques ont découvert que l'utilisation de la tartrazine (colorant alimentaire jaune, E102), de la curcumine (du curcuma) ou de l'anthocyane (des bleuets) vous permet d'obtenir un hydrogel avec un labyrinthe vasculaire sans durcir, bloquant l'écoulement du fluide à travers le canal.

Parmi les composés inorganiques, d'excellents résultats ont été montrés par les nanoparticules d'or (50 nm), qui se caractérisent par un haut degré d'absorption de la lumière et une bonne biocompatibilité.

Résultats de recherche

En combinant toutes les découvertes ci-dessus et les développements précédents, les chercheurs ont commencé la mise en œuvre pratique d'un hydrogel contenant un réseau vasculaire.

La première étape consistait à tester des mélangeurs chaotiques (mélangeurs), c'est-à-dire des topologies intravasculaires qui homogénéisent * les fluides en raison des interactions entre les flux de fluide et la géométrie des vaisseaux.

L'homogénéisation * est le processus de réduction de l'hétérogénéité de la distribution des produits chimiques et des phases sur le volume d'un système commun pour eux.

Un hydrogel monolithique a été créé avec un mélangeur statique (fixe) intégré composé de lames tourbillonnantes tridimensionnelles (150 mm d'épaisseur) avec une chiralité alternée à l'intérieur d'un canal cylindrique de 1 mm.


Image n ° 1

Pour tester l'opérabilité d'un tel mélangeur, des flux de fluide laminaire ont été appliqués au mélangeur statique avec un faible nombre de Reynolds (0,002). En conséquence, un mélange rapide par unité de longueur ( 1A ) a été observé et en fonction du nombre de pales.

Ensuite, les scientifiques ont créé une valve veineuse bicuspide tridimensionnelle ( 1B ). Les valves de cette valve étaient dynamiques (mobiles) et répondaient rapidement aux écoulements de fluide antérograde pulsé (mouvement vers l'avant) et rétrograde (mouvement inverse). Il convient également de noter la formation de vortex stables dans les sinus de la valve, ce qui est parfaitement cohérent avec le comportement de cette valve.


Démonstration du travail de la valve veineuse bicuspide hydrogel tridimensionnelle artificielle.

L'étape suivante concerne les systèmes vasculaires plus complexes et complexes, qui peuvent consister en plusieurs labyrinthes. La chose la plus importante est qu'ils ne doivent pas se croiser, sinon le résultat sera un grand labyrinthe lorsque deux ou plusieurs flux séparés, indépendants les uns des autres sont nécessaires. Les algorithmes mathématiques pour remplir l'espace et la topologie fractale utilisés par les scientifiques ont montré de bons résultats dans la conception de deux labyrinthes vasculaires qui ne se croisent pas.


Image n ° 2

Les chercheurs ont testé plusieurs options d'architecture avec deux canaux disjoints: une spirale autour d'un canal droit (axial) ( 2A ); Courbes de Hilbert 1 ° et 2 ° ( 2B ); réseau cubique bicontinu ( 2C ); nœud torique autour du tore ( 2D ).


Démonstration de toutes les variantes de l'architecture vasculaire, composée de deux canaux indépendants.

Ensuite, les scientifiques ont vérifié l'efficacité avec laquelle leur système vasculaire artificiel remplit ses principales responsabilités - le transport de l'oxygène. Un fluide avec des globules rouges désoxygénés (saturation en oxygène ≤ 45%) a traversé un canal en spirale ( 2E ) enrichi en oxygène gazeux humidifié (7 kPa). À la sortie, vous pouvez voir le changement de couleur du rouge foncé au rouge vif, ce qui indique la saturation des globules rouges en oxygène lors du passage du fluide à travers le canal ( 2F et 2G ). L'analyse des globules rouges après ce test a confirmé une augmentation de la saturation en oxygène.

Un tel système vasculaire en spirale est assez simple, comme disent les scientifiques eux-mêmes. Et malgré les excellents résultats d'oxygénation, il est nécessaire de tester le modèle dans des conditions plus strictes. Le modèle de notre poumon est parfait pour cela, car dans ce cas, il faut prendre en compte non seulement la possibilité de construire un réseau complexe de vaisseaux, mais aussi leur élasticité, un indicateur important en raison de la dynamique des poumons. Les scientifiques, sur la base de leurs travaux antérieurs et du travail de leurs collègues, ont créé un modèle alvéolaire avec un réseau vasculaire enveloppant, qui est basé sur le principe d'une structure tridimensionnelle complexe de «mousse Weir-Felan».


Image n ° 3

La mousse Weir-Phelan est basée sur des polyèdres convexes, mais cela ne cesse pas de créer des concaves qui ressembleront à des sacs aériens alvéolaires avec un atrium commun des voies respiratoires ( 3A ). Le modèle résultant comprenait 185 segments vasculaires et 113 points d'intersection.

Ensuite, le modèle a été appliqué pour l'impression. La taille des billets était de 5 pl et le temps d'impression était de 1 heure ( 3B ). La ventilation cyclique des voies respiratoires combinées avec de l'oxygène gazeux humidifié a entraîné un étirement et une courbure notables des voies respiratoires concaves. La perfusion de globules rouges désoxygénés à l'entrée du système vasculaire (de 10 à 100 mm / min) pendant la ventilation cyclique a conduit à une compression et à une clairance notables des globules rouges des vaisseaux adjacents aux régions concaves des voies respiratoires ( 3C ).


Démonstration du modèle alvéolaire avec un réseau vasculaire enveloppant.

Les données d'analyse du modèle de calcul ont confirmé l'étirement anisotrope des voies respiratoires concaves pendant l'inflation, c'est-à-dire l'expansion ( 3D ).

Alors que le volume d'hydrogel (0,8 ml) dans le modèle alvéolaire représente environ 25% du volume du modèle en spirale, l'efficacité d'oxygénation des deux modèles est presque identique ( 3E ).

Les scientifiques pensent que la topologie ramifiée (maillée) de l'hydrogel et son extension, ainsi que la redirection des flux pendant la ventilation, peuvent augmenter l'absorption d'oxygène par les globules rouges, c'est-à-dire leur oxygénation.


Comparaison des globules rouges désoxygénés (à gauche) et des globules rouges oxygénés (à droite) à l'intérieur du système vasculaire fabriqué.

L'un des points les plus importants est l'évolutivité. En d'autres termes, il est nécessaire de prendre en compte l'emplacement de l'entrée / sortie du système vasculaire et du conduit afin que cette architecture soit le plus proche possible des vrais poumons. Le volume d'essai initial de l'hydrogel a donné lieu à un système très ramifié ( 3F ). Les systèmes vasculaires d'entrée et de sortie doivent être situés à un angle de 180 degrés l'un par rapport à l'autre et être déplacés topologiquement des voies respiratoires. Les vaisseaux eux-mêmes devraient atteindre les branches les plus éloignées, c'est-à-dire les vésicules alvéolaires, composées de 354 segments vasculaires et 233 points d'intersection vasculaire ( 3G ).

Les tests du modèle alvéolaire obtenu ont montré qu'il est capable de supporter plus de 10 000 cycles de ventilation à une pression de 24 kPa et une fréquence de 0,5 Hz pendant 6 heures. En même temps, de l'oxygène humidifié et de l'azote humidifié ( 3H , 3J ) ont été utilisés pendant le test.

Sur l'image 3I, on voit clairement que le système développé assure le mélange des globules rouges et la bidirectionnalité des flux dans des segments individuels des vaisseaux sanguins.


Démonstration d'un modèle pulmonaire composé de plusieurs alvéoles.

Le système développé montre d'excellents résultats pendant les tests, comme nous l'avons déjà compris, mais une autre question importante reste - est le modèle d'hydrogel compatible avec les cellules vivantes.

Pour vérifier cela, les scientifiques ont utilisé la stéréolithographie pour créer les mêmes modèles que ceux décrits ci-dessus, mais contenant déjà des cellules de mammifères vivants. Les cellules souches mésenchymateuses humaines ont agi en tant que telles cellules. L'analyse du système résultant a montré que les cellules au sein de la structure hydrogel restent viables et peuvent subir une différenciation ostéogénique.

De tels résultats positifs ne pouvaient être laissés sans vérification, car les scientifiques ont décidé de mener une série de tests pour établir le degré d'utilité de cette méthode de fabrication de systèmes artificiels biocompatibles.

Le foie a été pris comme base, car cet organe remplit un certain nombre des fonctions les plus importantes de l'organisme, dont le succès dépend fortement de la topologie structurelle de cet organe.


Image n ° 4

Les chercheurs ont créé une structure d'hydrogel complexe composée de nombreux tissus unicellulaires et de porteurs d'hydrogel contenant des agrégats d'hépatocytes ( 4A - 4C ).

L'activité promotrice de l'albumine des supports tissulaires contenant des agrégats a été augmentée de plus de 60 fois par rapport à l'activité des tissus implantés contenant des cellules individuelles ( 4B , 4C ). De plus, avec un examen approfondi des tissus après résection, les tissus porteurs d'hydrogel étaient plus intégrés avec les tissus et le sang de la souris test ( 4D ).

Les agrégats hépatiques sont meilleurs que les cellules individuelles, mais ils ajoutent de la complexité au processus de création de modèles d'hydrogel, car leur taille dépasse la résolution la plus basse des voxels (50 mm).

Afin de résoudre ce problème, les scientifiques ont créé leur propre architecture de transporteur agrégé ( 4E ). Le réseau de microcanaux a été ensemencé de cellules endothéliales de veine ombilicale humaine, car cela améliore la survie des tissus. De plus, ce système artificiel a été transplanté dans le foie avec des dommages chroniques au rongeur. 14 jours après l'implantation, l'activité du promoteur de l'albumine a été observée, ce qui indique la survie des hépatocytes fonctionnels, c'est-à-dire la viabilité des cellules hépatiques transplantées ( 4F ). L'analyse immunohistologique a montré la présence d'agrégats hépatiques à la surface des composants hydrogels imprimés ( 4F et 4G ). De plus, une analyse conventionnelle des images a montré la présence de sang d'un porteur individuel à l'intérieur du système hydrogel implanté, ce qui confirme une fois de plus l'absence de rejet.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances et des détails de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Le résultat de cette étude est un système vasculaire à base d'hydrogel et de colorants alimentaires naturels / artificiels, qui répond parfaitement à ses tâches principales, en particulier au transfert d'oxygène. De plus, les scientifiques ont utilisé une méthode d'impression pas tout à fait standard (stéréolithographie), qui vous permet de créer des architectures complexes en un temps assez court. À l'avenir, les scientifiques ont l'intention d'améliorer leur idée, car le système vasculaire de chaque organe ou partie du corps a ses propres caractéristiques, qui doivent être prises en compte, étudiées et prises en compte dans le développement d'un analogue artificiel d'hydrogel plus avancé.

La création de tissus artificiels, de leurs agrégats puis d'organes est un processus minutieux et très complexe. Mais les bonnes actions sont très souvent semées d'embûches. Et cette étude ne peut s'appeler autre chose qu'une bonne action. Le premier problème auquel une personne malade ayant besoin d'une transplantation de n'importe quel organe est confronté est l'attente. Par exemple, selon certaines sources, 20 personnes meurent chaque jour dans une file d'attente pour une greffe de foie aux États-Unis. Le deuxième problème est le donateur. Vous ne pouvez pas simplement prendre l’organe d’une personne et le transplanter à une autre. La compatibilité d'un certain nombre de paramètres est requise. Et le second problème alimente en douceur le premier, allongeant le temps d'attente pour l'opération de sauvetage.

Bien sûr, la culture de masse d'organes et de systèmes, comme les tomates dans une ferme, avec une transplantation supplémentaire, n'est que l'avenir, mais dans quelle mesure cela dépend de ces études et de leur succès. En parlant spécifiquement du travail d'aujourd'hui, nous pouvons dire qu'un tel avenir est devenu un peu plus proche.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars!

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