Ученые предложили метод бесконтактного диагностирования и управления гидрогелями при биопечати

Разработанные авторами проекта экспериментальные методики и устройства вносят весомый 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 уникальными 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 гелевый биообъект напечатан, им можно управлять с помощью тепловых воздействий. Поскольку клеткам необходимо питание, которое может поставляться по искусственно созданным микроканалам, то оптический метод посредством голографической интерферографии позволяет наблюдать, какие клетки недополучают 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.

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 образцом. Уникальность 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, то есть 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.

«Уникальность полученных результатов состоит в том, что нами впервые было получено распределение поля температур в таком сложно-структурированном материале как гидрогель. Получены новые 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 руководитель проекта Николай Захаров.