Биопечать и достижения в области материалов облегчают создание коллагеновых структур, необходимых для челюстно-лицевой хирургии.
3Д-печать, в которую в 1986 году Чарльз Халл заложил основы аддитивных технологий, использует цифровые модели для создания объектов слой за слоем с использованием адгезивных материалов, обеспечивая гибкость дизайна, снижая производственные затраты и расширяя функциональность. В стоматологии 3Д-биопечать нацелена на регенерацию тканей полости рта и изменила направление стоматологической хирургии в сторону более точных и оцифрованных подходов.
Коллаген, основной компонент внеклеточного матрикса, часто используется в тканевой инженерии из-за его структурного и химического сходства с внеклеточным матриксом тканей полости рта. Однако его быстрое разложение ограничивает его непосредственное применение в тканевых каркасах. Чтобы повысить его эффективность, коллаген обычно комбинируют с другими материалами. Например, для создания биомиметических структур исследователи объединили биоактивное стекло с модифицированным коллагеном, чтобы улучшить жизнеспособность мезенхимальных стволовых клеток (МСК) человека.
Биочернила на основе коллагена обеспечивают отличную печатаемость при различных методах 3Д-печати. Пригодность коллагена для печати зависит от состава биочернил и технологии печати. Коллагеновые скаффолды, напечатанные на 3Д-принтере, могут обеспечить среду для роста клеток либо путем привлечения стволовых клеток, либо путем непосредственного размещения клеток.
Методы биопечати
Технологии биопечати в широком смысле подразделяются на струйную, биопечать под давлением и биопечать с использованием света. Биопечать, основанная на традиционной струйной печати, наносит капли чернил слой за слоем. Она обеспечивает точное размещение клеток в 2D и 3Д структурах, подходящих для тканевой инженерии. Но при печати по ячейкам высокой плотности из-за засорения сопел могут возникнуть проблемы.
Экструзионная биопечать для проталкивания биопленки через сопло использует пневматическое или механическое давление. Печать масштабируется и хорошо справляется с высоковязкими биопленками. Однако на жизнеспособность клеток может повлиять такой фактор, как диаметр сопла.
Впервые представленная для создания 2D-моделей клеток, светотехническая биопечать использует лазеры для отверждения биочернил, обеспечивая минимальное механическое напряжение и позволяя создавать структуры с высоким разрешением. Методы включают лазерно-индуцированный прямой перенос (LIFT), стереолитографию и цифровую обработку света. Эти методы позволяют создавать скаффолды с высокой структурной точностью и хорошей жизнеспособностью клеток.
Практическое применение
Исследования, посвященные 3Д-биопечати хряща с помощью коллагеновых биочернил, показали, что коллагеновые гидрогели высокой плотности при нагревании повышают геометрическую точность напечатанных структур, улучшая структурную точность и механическую прочность. Еще в одном подобном исследовании проводилось сравнение различных биопленок для печати на хрящах, и было установлено, что комбинации альгинат–агароза и альгинат–коллаген обеспечивают превосходную прочность на сжатие и растяжение по сравнению только с альгинатом. Кроме того, альгинат–коллаген способствовал лучшей выживаемости клеток и эффективно поддерживал фенотип хондроцитов.
3Д-печать также оказалась полезной при воссоздании нановолоконных структур внеклеточного матрикса хряща. Было обнаружено, что эти скаффолды поддерживают адгезию, пролиферацию и дифференцировку клеток и демонстрируют потенциал регенерации остеохондроза. Также были выдвинуты инициативы по использованию 3Д-печати для восстановления височно-нижнечелюстного сустава. Скаффолды, созданные из желатина, продемонстрировали потенциал для дифференцировки в хрящ МСК костного мозга человека. Исследования также подчеркнули эффективность использования двух методов одновременно, обнаружив, что такие структуры способствуют росту костей и хрящей.
Извлечение коллагена
Существует несколько методов извлечения коллагена. Средством экстрагирования с высокой эффективностью и безвредным для окружающей среды способом является ферментативная экстракция, которая расщепляет ковалентные связи в коллагене в кислых условиях, сохраняя его физические и биохимические свойства коллагена. Обычно используемые ферменты включают пепсин, панкреатическую протеазу, папаин и фицин. Факторы, влияющие на экстракцию, включают температуру, рН, время и концентрацию фермента. Помимо этого, были разработаны сложные методы экстракции, позволяющие получить эффективное и быстрое извлечение коллагена без ущерба для структуры.