Этот новый подход к производству может однажды позволить исследователям быстро создавать органы на чипах, также известные как микрофизиологические системы, которые соответствуют свойствам конкретного заболевания или даже отдельных клеток пациента.Исследование опубликовано в Nature Materials.«Этот новый программируемый подход к созданию органов на микросхемах не только позволяет нам легко изменять и настраивать дизайн системы за счет интеграции датчиков, но и значительно упрощает сбор данных», — сказал Йохан Ульрик Линд, первый автор статьи и научный сотрудник. в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS).
Линд также является исследователем в Институте биологической инженерии Висса при Гарвардском университете.«Наш подход к микротехнологии открывает новые возможности для тканевой инженерии in vitro, токсикологии и исследований по скринингу лекарств», — сказал Кит Паркер, профессор биоинженерии и прикладной физики семьи Тарр в SEAS, соавтор исследования.
Паркер также является одним из основных преподавателей Института Висс.Органы на чипах имитируют структуру и функции нативных тканей и стали многообещающей альтернативой традиционным испытаниям на животных. Исследователи из Гарварда разработали микрофизиологические системы, имитирующие микроархитектуру и функции легких, сердца, языков и кишечника.
Однако процесс изготовления и сбора данных для органов на чипах является дорогостоящим и трудоемким. В настоящее время эти устройства устанавливаются в чистых помещениях с использованием сложного многоступенчатого литографического процесса, а для сбора данных требуется микроскопия или высокоскоростные камеры.
«Наш подход заключался в одновременном решении этих двух проблем с помощью цифрового производства», — сказал Трэвис Басби, соавтор статьи и аспирант лаборатории Льюиса. «Разработав новые чернила для печати для трехмерной печати из нескольких материалов, мы смогли автоматизировать процесс производства, одновременно увеличивая сложность устройств».Исследователи разработали шесть различных чернил, которые интегрировали датчики мягкой деформации в микроархитектуру ткани. С помощью единой непрерывной процедуры команда 3D напечатала эти материалы в кардиологическом микрофизиологическом устройстве — сердце на микросхеме — со встроенными датчиками.
«Мы раздвигаем границы трехмерной печати, разрабатывая и интегрируя несколько функциональных материалов в печатные устройства», — сказала Дженнифер Льюис, профессор биологической инженерии Hansjorg Wyss и соавтор исследования. «Это исследование является убедительной демонстрацией того, как нашу платформу можно использовать для создания полнофункциональных, оснащенных инструментами микросхем для скрининга лекарств и моделирования заболеваний».Льюис также является одним из основных преподавателей Института Висс.Чип содержит несколько лунок, каждая с отдельными тканями и встроенными датчиками, что позволяет исследователям одновременно изучать множество сконструированных сердечных тканей. Чтобы продемонстрировать эффективность устройства, команда провела исследования лекарств и долгосрочные исследования постепенных изменений сократительного стресса сконструированных сердечных тканей, которые могут происходить в течение нескольких недель.
«Когда дело доходит до постепенных изменений, которые происходят во время развития и созревания сердечной ткани, исследователи часто остаются в неведении, потому что не было простых, неинвазивных способов измерения функциональных характеристик тканей», — сказал Линд. «Эти интегрированные датчики позволяют исследователям непрерывно собирать данные, пока ткани созревают и улучшают их сократительную способность. Точно так же они позволят изучать постепенные эффекты хронического воздействия токсинов».
«Превращение микрофизиологических устройств в действительно ценные платформы для изучения здоровья и болезней человека требует, чтобы мы занимались как сбором данных, так и производством наших устройств», — сказал Паркер. «Эта работа предлагает новые потенциальные решения обеих этих центральных проблем».