Tack vare magnetisk levitationsforskning i förhållanden med mikrogravitation, forskare har utvecklat en ny teknik för 3D-utskrift av biologiska vävnader. I framtiden, denna teknik kommer att bidra till att skapa strålningskänsliga biologiska konstruktioner och reparera skadade vävnader och mänskliga organ. Resultaten publiceras i Biotillverkning .

Det finns många metoder för 3D-bioprinting. De flesta av dem använder ett visst lager-för-lager ramverk av de biologiska vävnaderna. Det resulterande bulkmaterialet skickas sedan till inkubatorn där odlingen fortsätter. Det finns sätt på vilka biologiska objekt utvecklas utan användning av en flerskiktsstrategi, till exempel, magnetiskt biotryck, där cellmaterialet riktas till önskad plats med hjälp av magnetfält. I detta fall, cellerna bör märkas på något sätt med magnetiska nanopartiklar.

Forskarna från företaget 3-D Bioprinting Solutions har i samarbete med de andra ryska och utländska forskarna utvecklat den nya metoden, som gör det möjligt för forskare att skapa biologiska 3D-objekt utan användning av lager-för-lager-metod och magnetiska etiketter. Denna nya metod har utvecklats med bidrag från Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (JIHT RAS).

"Under perioden 2010 till 2017, en serie experimentella studier utfördes ombord på det ryska orbitalsegmentet på den internationella rymdstationen med experimentapparaten Coulomb Crystal. Huvudelementet i enheten är en elektromagnet som skapar ett speciellt inhomogent magnetfält där strukturerna hos de diamagnetiska partiklarna (de magnetiseras mot magnetfältets riktning) kan bildas under mikrogravitationsförhållandena, " säger medförfattaren Mikhail Vasiliev, chef för laboratoriet för dammig plasmadiagnostik i JIHT RAS.

I sin experimentella studie, JIHT-forskarna beskrev hur små laddade partiklar beter sig i magnetfältet av en speciell form under mikrogravitationsförhållandena, inklusive noll gravitation. Dessutom, forskarna utvecklade en matematisk modell av denna process baserad på metoderna för molekylär dynamik. Dessa resultat förklarar hur man får homogena och utökade tredimensionella strukturer som består av tusentals partiklar.

De konventionella metoderna för magnetisk 3-D bioprinting hade ett antal begränsningar förknippade med gravitationen. För att minska påverkan av gravitationskrafterna, man kan öka kraften hos magneter som styr magnetfältet. Dock, detta kommer att komplicera bioprintern avsevärt. Det andra sättet är att minska tyngdkraften. En grupp forskare från 3-D Bioprinting Solutions använde detta tillvägagångssätt. Den nya metoden kallas formativ tredimensionell biofabrik, och det skapar tredimensionella biologiska strukturer inte i lager utan omedelbart från alla sidor. Forskarna tillämpade experimentella data och resultaten av den matematiska modellering som erhållits av JIHT RAS-forskarna för att kontrollera formen på sådana strukturer.

"Resultaten av Coulomb-kristallexperimentet om studiet av bildandet av de rumsligt ordnade strukturerna ledde till utvecklingen av en ny metod för den formativa 3-D-biofabriken av vävnadsliknande strukturer baserad på den programmerbara självmonteringen av de levande vävnader och organ under förhållanden med gravitation och mikrogravitation med hjälp av ett inhomogent magnetfält, " sa författaren.

Bioprinters baserade på den nya teknikapplikationen kommer att kunna skapa olika biologiska konstruktioner som kan användas, till exempel, att uppskatta de negativa effekterna av rymdstrålning på astronauters hälsa under långvariga rymduppdrag. Dessutom, denna teknik kommer att kunna återställa funktionen hos de skadade vävnaderna och organen i framtiden.