А.А. Кисель – студент, магистратура ИАТЭ НИЯУ МИФИ; лаборант-исследователь,  лаборатория биоматериалов и тканевых конструкций, МРНЦ имени А.Ф. Цыба –  филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России (Москва) 

Е.Е. Бекетов – к.б.н., зав. лабораторией биоматериалов и тканевых конструкций, 

МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России (Москва)

Е.В. Исаева – к.вет.н., ст. науч. сотрудник, лаборатория биоматериалов и тканевых конструкций, 

МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России

П.В. Шегай – к.м.н., зав. Центром инновационных радиологических и регенеративных технологий  ФГБУ «НМИЦ радиологии»

Л.Н. Комарова – д.б.н., профессор, руководитель образовательной программы «Биология»,  ИАТЭ НИЯУ МИФИ

Н.Б. Эпштейн – д.фарм.н., начальник Фармацевтического центра практического обучения  и компетенций, профессор, ИАТЭ НИЯУ МИФИ

Н.Е. Шубин – д.х.н., к.т.н., профессор, директор по развитию компании 

«Системные продукты для строительства» (Индустриальный парк «Ворсино», Калужская обл.)

Постановка проблемы. Тканевая инженерия открывает целый ряд возможностей для лечения пациентов с повреждением тканей и органов. В качестве основного метода создания тканеинженерных конструкций выступает экструзионная 3D-биопечать. Дальнейшее развитие этого направления требует новых высокофункциональных материалов с определенными физико-химическими свойствами, а также решения ряда вопросов с уже существующими. Данные вопросы связаны с нахождением оптимальной концентрации материала, метода полимеризации, наличием факторов роста и других компонентов скаффолда, влияющих на пролиферацию и дифференцировку клеток. Особое место занимают технические аспекты биопринтинга; по аналогии с обычной 3D-печатью среди таких параметров: температура материала и печатного столика, высота слоя и скорость печати. На данный момент в литературных источниках не описано комплексного подхода к подбору параметров печати и тестированию пригодности материалов к 3D-биопечати. Цель работы – поиск подходов к тестированию материала с точки зрения его применимости для экструзионной 3Dбиопечати.

Результаты. В ходе проведения работы дана оценка реологических свойств материала (желатина 12%-ного), была определена температура перехода раствора из жидкого состояния в гель (25 °С). Посредством оценки напечатанных моделей было определено что подходящими для гидрогеля режимами печати при использовании игл 21G являются те, что включают в себя высоту слоя не менее 50% от диаметра сопла и с выходом материала, превышающим расчетный на 50%. Было установлено, что 12%-ный желатин хорошо воспроизводит вертикальные углы в моделях вплоть до значения в 45°. Печать воспроизводилась на всем диапазоне скоростей (5…20 мм/с, с шагом 2,5 мм/с), что позволяет существенно сократить время печати изделий, включающих в себя простую геометрию.

Практическая значимость. Предложенные подходы к тестированию носят комплексный характер и могут быть применены в случае широкого спектра гидрогелей и биопринтеров. Данная работа будет актуальна для исследователей в области тканевой инженерии.

Кисель А.А., Бекетов Е.Е., Исаева Е.В., Шегай П.В., Комарова Л.Н., Эпштейн Н.Б., Шубин Н.Е. Методы подбора параметров экструзионной 3D-печати гидрогелями // Технологии живых систем. 2020. Т. 17. № 3. С. 61–68. DOI: 10.18127/j20700997-202003-07.

1. Choudhury D, Anand S., Win Naing, M. The arrival of commercial bioprinters – Towards 3D bioprinting revolution. International Journal of Bioprinting. 2018. V. 4 (2). P. 139.
2. Ahn S.H., Lee J., Park S.A., Kim W.  Three-dimensional bio-printing equipment technologies for tissue engineering and regenerative medicine. Tissue Eng Regen Med – 2016. V. 13. P. 663–676.
3. Atala A., Yoo J.J. Essentials of 3D Biofabrication and Translation 1st Edition. Anthony Atala, James J. Yoo. Academic Press. 2015. V. 1. P. 1–17.
4. Freeman F.E., Kelly D.J. Tuning alginate bioink stiffness and composition for controlled growth factor delivery and to spatially direct MSC fate within bioprinted tissues. Scientific reports. 2017. V. 7 (1). P. 1–12.
5. Бекетов Е.Е., Исаева Е.В., Шегай П.В., Иванов С.А., Каприн А.Д. Современное состояние тканевой инженерии для восстановления хрящевой ткани // Гены и клетки. 2019. Т. 14. № 2. C. 12–20.
6. Szojka A., Lalh K., Andrews S., Jomha N., Osswald M., Adesida A. Biomimetic 3D printed scaffolds for meniscus tissue engineering. Bioprinting. 2017. V. 8. P. 1–7.
7. Zhuang P., Ng W.L., An J., Chua C.K., Tan L.P.  Layer-by-layer ultraviolet assisted extrusion-based (UAE) bioprinting of hydrogel constructs with high aspect ratio for soft tissue engineering applications. PloS one. 2019. V. 14 (6).
8. Yue K., Trujillo G., Alvarez M., Tamayol A., Annabi N., Khademhosseini A. Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials. 2016. V. 73. P. 254–271.
9. Волова Т.Г., Шишацкая Е.И., Миронов П.В. Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии [Электронный ресурс]: Электрон. учеб. пособие. Красноярск: ИПК СФУ. 2009.
10. Yang L.J., Lin W.C., Yao T.J., Tai Y.C. Photo-patternable gelatin as protection layers in low-temperature surface micromachinings. Sensors and Actuators A: physical. 2003. V. 103 (1–2). P. 284–290.
11. Webb B., Doyle B.J. Parameter optimization for 3D bioprinting of hydrogels Bioprinting. 2017. V. 8. P. 8–12.
12. Negrini N.C., Bonetti L., Contili L., Fare S. 3D printing of methylcellulose-based hydrogels. Bioprinting. 2018. V. 10. P. e00024.
13. Guiseppe M., Law N., Webb B. et al. Mechanical Behaviour of Alginate-Gelatin Hydrogels for 3D Bioprinting. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2018. V. 79. P. 150–157.