Прорыв в регенеративной медицине: новое исследование
Исследователи из Института материалов IMDEA продемонстрировали потенциал 3D-печатных углеродных микрорешёток в качестве настраиваемых каркасов для инженерии костной ткани.
Особенности исследования
Сcaffolds были изготовлены с использованием 3D-печатных структур из полиэтиленгликоль диакрилата (PEGDA), которые преобразуются в пиролитический углерод (PyC) при высокотемпературной обработке.
Их результаты, [опубликованные](https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202500290) в журнале Small Structures, открывают многообещающие перспективы использования углеродных материалов в инженерии костной ткани — области, которая давно ищет биоматериалы, сочетающие механическую прочность, биосовместимость и индивидуальный дизайн с геометрической точностью.
«Это исследование представляет первую всестороннюю оценку in vitro 3D-печатных каркасов PyC для регенерации костей», — сказал доктор Монсур Ислам из Института материалов IMDEA. «Наша цель состояла в том, чтобы выйти за рамки традиционных материалов для каркасов и изучить углерод как полностью спроектированную, настраиваемую платформу для тканевой инженерии».
Потенциал углеродных каркасов
Хотя другие формы углерода, такие как графен или углеродные нанотрубки, показали многообещающие результаты в регенерации костей, они обычно требуют встраивания в полимеры, которые часто маскируют их истинный потенциал.
«Нас воодушевила идея использования чистого углерода, сформированного исключительно с помощью 3D-печати и пиролиза, для создания каркасов с программируемыми механическими и химическими свойствами. Что действительно примечательно, так это то, что эти структуры могут направлять поведение клеток, способствуя их пролиферации или остеогенезу, без каких-либо поверхностных покрытий или биологически активных добавок. Именно это заставляет нас считать эту работу поворотным моментом для углерода в регенеративной медицине», — добавил он.
Команда публикации
За публикацией стоит команда исследователей из Института материалов IMDEA, в которую входят Вэй Тан, доктор Мигель Монклус, доктор Моника Эчеверри Рендон, профессор Де-И Ван и бывший исследователь Института материалов IMDEA доктор Хесус Ордоньо.
Процесс пиролиза
Пиролиз — это процесс, при котором органические материалы разлагаются при высоких температурах в отсутствие кислорода.
В исследовании, проведённом в рамках европейского проекта 3D-CARBON действий Марии Склодовской-Кюри, PEGDA, органическая фоточувствительная смола, сначала использовалась для 3D-печати на основе УФ-излучения, где сложные трёхмерные структуры PEGDA были изготовлены в процессе послойной фотополимеризации.
Эти структуры позже были подвергнуты высокотемпературному процессу пиролиза, в результате чего образовалась углеродная основа, обладающая улучшенными механическими, электрическими или термическими свойствами в зависимости от условий обработки.
Важно отметить, что исходные структуры испытали значительное геометрическое сжатие (до ~80%), сохранив при этом исходную геометрию. Это сжатие позволило достичь более высокого разрешения при печати по сравнению с УФ-процессом 3D-печати, что привело к созданию пористой геометрии, аналогичной естественной кости.
Исследователи также продемонстрировали, как изменение температуры пиролиза от 500 до 900 °C эффективно настраивает как физические, так и биологические свойства полученных углеродных микрорешёток.
При более высоких температурах углерод становится более проводящим и механически прочным, с показателями эластичности и твёрдости, приближающимися к показателям натуральной кости, что делает их особенно перспективными для клинического применения в восстановлении костей.
Интересно, что исследование показывает: каркасы PyC, созданные при более низких температурах пиролиза, сохраняют больше кислородсодержащих поверхностных групп, что приводит к большей метаболической активности и усилению пролиферации клеток. Это говорит о том, что регулировка параметров пиролиза предлагает мощный инструмент для управления клеточным поведением.
В отличие от многих существующих материалов для каркасов, таких как полимеры, которым не хватает прочности, или керамика, которую чрезвычайно сложно обработать до геометрического масштаба натуральной кости, эти углеродные микрорешётки предлагают редкое сочетание технологичности, биосовместимости, механической устойчивости и настраиваемости поверхности.
Кроме того, их потенциальная совместимость с мониторингом на основе МРТ представляет собой заметное преимущество по сравнению с имплантатами на основе металлов.