Впервые напечатано "сердце-на-чипе" со встроенными датчиками

"Сердце-на-чипе" полностью напечатано на 3D-принтере сразу со встроенными датчиками, которые измеряют силу сокращений ткани.

Фотография Johan Lind, Disease Biophysics Group/Lori K. Sanders, Lewis Lab/Harvard University.

Разработка поможет учёным изучить длительное воздействие токсинов на органы.

Фотография Johan Lind, Disease Biophysics Group/Lori K. Sanders (Lewis Lab)/Harvard University.

Микрофизиологические системы или "органы-на-чипе" были разработаны для того, чтобы учёные могли изучать влияние того или иного лекарства, косметического средства или даже болезни на организм человека, без тестирования на животных. Но проблема в том, что производство и получение данных от таких систем — достаточно дорогостоящий и трудоёмкий процесс.

Теперь же исследователи из Гарвардского университета создали первое "сердце-на-чипе" с интегрированными датчиками, которое было полностью напечатано на 3D-принтере. Автоматизированная процедура цифрового производства позволяет изготавливать "орган" достаточно быстро, да ещё и в различных форм-факторах. В итоге исследователи могут легко собирать важнейшие данные для краткосрочных и долгосрочных исследований.

"Органы-на-чипе" имитируют структуру и функции естественных тканей и являются многообещающей альтернативой традиционным экспериментам на животных. Так, гарвардские учёные ранее разработали микрофизиологические системы, которые имитируют микроархитектуру (то есть строение на микроскопическом уровне) и функции лёгких, сердца, языка и кишечника.

Тем не менее изготовление и сбор данных с таких "органов-на-чипе" — достаточно дорогостоящий и трудоёмкий процесс. На сегодня подобные устройства изготавливаются с использованием сложного многоступенчатого литографического процесса, а сбор данных и вовсе требует применения микроскопии или высокоскоростных камер.

"Наш подход убивает одновременно двух зайцев, решая обе проблемы с помощью цифрового производства. Путём создания новых чернил для мультиматериальных 3D-принтеров, мы смогли автоматизировать процесс изготовления и увеличить сложность получаемых устройств", — говорит один из авторов исследования Трэвис Басби (Travis Busbee).

Исследователи разработали шесть различных материалов, которые можно использовать в 3D-печати. Все материалы повторяют структуру сердечной ткани человека. Внутрь них также встраиваются мягкие тензодатчики. "Сердце-на-чипе" создаётся в ходе единого непрерывного процесса.

"Мы расширяем границы трёхмерной печати, разрабатывая и внедряя сложные функциональные материалы в печатающие устройства. Исследование является доказательством того, что наша платформа может быть использована для создания полностью функциональных чипов для наблюдения за влиянием лекарств и моделирования болезней", — говорит член исследовательской группы Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis).

Сам чип содержит в себе множество своеобразных ячеек, каждая из которых обладает отдельными "тканями" и встроенным датчиком. Такая структура позволяет учёным изучать множество спроектированных образцов сердечной ткани за раз.

Встроенные датчики позволяют исследователям изучать ткани спустя какое-то время. Учёные могут определять, как изменяется их сократительный стресс или как длительное воздействие токсинов может повлиять на органы.

"Исследователи часто блуждают в темноте, когда дело доходит до постепенных изменений, которые происходят в сердечной ткани во время развития или взросления, поскольку нет лёгкого и неинвазивного способа измерения функциональных показателей ткани. Интегрированные датчики позволяют исследователям постоянно собирать данные в то время, пока ткань созревает и улучшает сократительную способность", — говорит ведущий автор исследования Йохан Ульрик Линд (Johan Ulrik Lind).

По мнению специалистов, новый подход к производству "органов-на-чипе" позволит учёным в один прекрасный день быстро создавать и получать устройства, которые будут соответствовать конкретным заболеваниям или даже будут содержать клетки отдельного пациента.

"Новый программируемый подход к формированию "органов-на-чипе" не только позволяет нам легко изменять и подгонять конструкцию системы за счёт интегрированных датчиков, но и также существенно упрощает получение результатов", — говорит Линд.

"Наш микропроизводственный подход открывает новые возможности для технологии тканевой инженерии в искусственных условиях, токсикологии и других областях", — отмечает соавтор исследования Кит Паркер (Kit Parker).

Исследование опубликовано в научном издании Nature Materials.

Добавим, что ранее "Вести.Наука" рассказывали о том, что канадцы создали первые трёхмерные "органы-на-чипе". Кроме того, медики обсуждают возможность имитации целого "организма-на-чипе". А ещё учёным удалось напечатать сеть кровеносных сосудов.