Мосполитех: Метод бесконтактного диагностирования и управления гидрогелями при 3D-биопечати

Основная статья: Выращивание органов (Биопечать, биопринтинг)

2022: Анонс метода бесконтактного диагностирования и управления гидрогелями при биопечати

23 января 2021 года Московский Политех сообщил, что ученым факультета Химической технологии и биотехнологии разработаны методика и специальное оборудование, позволяющие с помощью оптического метода контролировать и управлять процессами внутри гидрогелей при осуществлении их 3D-биопринтинга.

В Московском Политехе предложили метод бесконтактного диагностирования и управления гидрогелями при биопечати

Как сообщалось, разработанные авторами проекта экспериментальные методики и устройства вносят вклад в развитие фундаментальных основ управления процессами тепло- и массопереноса применительно к системам 3D-биопечати на основе гелевых материалов. Задачами, связанными с доставкой веществ к напечатанным клеткам и разработкой методов их диагностики, разработкой 3D-биопечати на основе гидрогелевых матриц занимается научно-исследовательский коллектив сотрудников и студентов Московского Политеха, руководитель — доцент, к.т.н. Николай Захаров. Применение гелей в биопечати ― одно из перспективных направлений развития регенеративной медицины. Гидрогели эффективны как материал для выращивания тканей и органов человека или их восстановления. В 3D-биопечати гидрогели используются в качестве основы, на которую в определенном порядке накладываются слои из живых клеток. После этого клетки одного типа группируются и образуют готовый орган. Гидрогели обладают особыми свойствами, поскольку являются биологически нейтральными, могут восстанавливать структуру после механического разрушения или перехода из жидкого состояния в гелеобразное и обратно при нагреве, что важно для 3D-биопечати.

Для работы с гидрогелями требуются бесконтактные способы исследования и измерения данных, каковым и является оптический метод. Необходимость неинвазивного подхода к исследованию гидрогелей применительно к технологии 3D-биопринтинга обусловлена тремя задачами. Первая, это необходимость контролировать распределение теплоты в печатаемом объекте. Поддержание температурных режимов клеток внутри геля является для них жизненно-необходимым условием. Если сделать температуру выше определенных показателей, клетки внутри геля могут погибнуть, если ниже, то перестанут развиваться и впадут в анабиоз или погибнут. Вторая задача — технологическая. В процессе печати, который должен идти непрерывно, приходится многократно воздействовать на температуру геля, поскольку гель наносится на подложку печатающим устройством, зачастую охлаждаемую, то существуют тепловые перепады, которые необходимо корректировать. И наконец, важность последующего управления ростом клеток. После того, как гелиевый биообъект напечатан, им можно управлять с помощью тепловых воздействий. Поскольку клеткам необходимо питание, которое может поставляться по искусственно созданным микроканалам, то оптический метод голографической интерферографии позволяет наблюдать, какие клетки не дополучают питание, а какие получают с избытком. Посредством контролируемого нагрева и охлаждения гелевого образца можно управлять доставкой питательных компонентов при помощи локального уменьшения или увеличения диаметра микроканалов, или вообще перекрыть доступ.Как DevOps-сервис помогает «разгрузить» высоконагруженные системы BPMSoft

Устройство для исследования гидрогелей представляет собой оптический комплекс, размещенный на специальной плите с автоматической системой вибрационной изоляции. Источником сканирующего излучения служит гелий-неоновый лазер с малой мощностью. Оптическая система состоит из объективов, голографической пластинки, системы скоростной видеофиксации и рабочего участка с исследуемым гелиевым образцом. Особенность этого метода в том, что все происходящие изменения в объекте исследования можно наблюдать в режиме реального времени. Этот метод позволяет не просто снять видео, как на камеру телефона, он фиксирует распределение температуры в объёме исследуемого объекта.

Применение оптического метода позволяет получить технологические параметры по температурным характеристикам и тепловым нагревам гидрогелей. Другими словами, получить ответы на вопрос, до какой температуры прогрелся гель с клетками, и что самое характерное — за какое время, потому как исследуемый процесс нестационарный, т.е. изменяется как во всем объеме гелевого образца, так и во времени. Реализованный оптический метод позволяет, в частности, увидеть на какую глубину прогрелся гелевый материал, за какое время, а также изучать его теплофизические свойства. Метод позволит определять технологические параметры будущих устройств 3D-биопечати.

Метод бесконтактного диагностирования и управления гидрогелями при 3D-биопечати

Особенность полученных результатов состоит в том, что нами впервые было получено распределение поля температур в таком сложно-структурированном материале как гидрогель. Полученные данные, на основе которых можно сформировать технологические параметры процессов печати, причем это данные по разным видам гидрогелей: агарозных, желатиновых, а также различным смесевым образцам на их основе. Мы узнали, что в разных гелях по-разному идёт распределение температуры, они по-разному нагреваются, на различную глубину. Как правило, для измерения температуры в объеме вещества используют термопары. Особенность же нашего метода в том, что он позволяет в бесконтактном режиме измерять температуру по всему объему используемого для биопечати геля. рассказал Николай Захаров, руководитель проекта