섬유 주입 잉크로 3D 프린팅된 심장 근육이 뛰게 됩니다.

이 그림은 섬유 주입 잉크로 디자인된 3D 프린팅된 심실을 보여줍니다. 신용: 하버드 MARES

작성자: Kat J. McAlpine / SEAS Communications

지난 10년 동안 3D 프린팅의 발전으로 생명공학자들이 심장 구조와 조직을 구축할 수 있는 새로운 가능성이 열렸습니다. 이들의 목표에는 미국 내 주요 사망 원인이자 전국적으로 약 5명 중 1명의 사망을 초래하는 심장 질환에 대한 새로운 치료법을 발견하기 위한 더 나은 체외 플랫폼을 만들고, 3D 프린팅된 심장 조직을 사용하여 어떤 치료법이 더 잘 작동할 수 있는지 평가하는 것이 포함됩니다. . 개별 환자에서. 더 먼 목표는 환자의 심장 내 결함이 있거나 병든 구조를 치료하거나 대체할 수 있는 이식 가능한 조직을 만드는 것입니다.

Nature Materials에 발표된 논문에서 Harvard John A. Paulson 공학 및 응용과학 대학(SEAS)과 Harvard University의 Wyss Institute for Biologically Impressed Engineering 연구원들은 3D를 가능하게 하는 젤라틴 섬유를 사용한 새로운 하이드로겔 잉크 개발을 보고했습니다. 수행할 작업. 인간의 심장 박동을 모방하는 기능성 심실의 모습. 그들은 섬유 주입 젤 잉크(FIG)가 심실 모양의 인쇄된 심장 근육 세포가 인간 심장의 방처럼 조화롭게 정렬되고 박동할 수 있게 한다는 것을 발견했습니다.

SEAS 연구원이자 제1저자인 최수지는 “사람들은 임상 환경에서 일어날 수 있는 일을 예측하는 방법으로 약물의 안전성과 유효성을 테스트하기 위해 장기의 구조와 기능을 복제하려고 노력해 왔습니다”라고 말했습니다. 그러나 지금까지 3D 프린팅 기술만으로는 심장 근육을 수축시키기 위해 전기 신호를 조화롭게 전송하는 세포인 심근 세포의 생리학적으로 관련된 정렬을 달성할 수 없었습니다.

“우리는 3D 프린팅 생물학적 조직의 일부 단점을 해결하기 위해 이 프로젝트를 시작했습니다.”

–케빈 “키트” 파커

혁신은 인쇄 가능한 잉크 내에 섬유를 추가하는 데 있습니다. “FIG 잉크는 인쇄 노즐을 통해 흐를 수 있지만 일단 구조가 인쇄되면 3D 모양을 유지합니다.”라고 최씨는 말합니다. “이러한 특성 때문에 추가 지지 재료나 지지대를 사용하지 않고도 심실과 같은 구조 및 기타 복잡한 모양을 3D 프린팅할 수 있다는 사실을 발견했습니다.”

이 비디오는 3D 프린팅된 심장 근육의 자발적인 박동을 보여줍니다. 신용: 하버드 SEAS.

최씨는 Fig 잉크를 만들기 위해 Kevin “Equipment” Parker 박사의 연구실에서 개발한 스핀젯 회전 기술을 활용했습니다. 솜사탕을 뽑는 방식과 유사한 방식으로 극세사 소재를 제조하는 회사입니다. 박사후 연구원이자 논문의 공동 저자인 Wyss Lumineer Luke MacQueen은 로터리 제트 회전 기술을 사용하여 생성된 섬유를 잉크에 추가하고 3D 프린팅할 수 있다는 아이디어를 제안했습니다. Parker는 Wyss 부교수이자 SEAS의 생명공학 및 응용물리학 Tarr 가족 교수입니다.

“Luke가 이 개념을 개발했을 때 비전은 하한에서 배경을 제거하여 이를 나노미터 규모로 낮춤으로써 3D 프린터로 인쇄할 수 있는 공간 규모의 범위를 확장하는 것이었습니다.”라고 Parker는 말합니다. “전기방사(극세 섬유를 생성하는 보다 전통적인 방법) 대신 회전식 제트 방사로 섬유를 생산하는 것의 장점은 전기방사에서 전기장에 의해 분해될 단백질을 사용할 수 있다는 것입니다.”

회전 제트를 사용하여 젤라틴 섬유를 회전시킨 최씨는 면과 같은 모양의 소재 시트를 생산했습니다. 그런 다음 그는 초음파처리(음파)를 사용하여 시트를 길이 80~100마이크로미터, 직경 5~10마이크로미터의 섬유로 분해했습니다. 그런 다음 그는 그 섬유를 하이드로겔 잉크에 분산시켰습니다.

“이 개념은 널리 적용 가능합니다. 우리는 섬유 방적 기술을 사용하여 원하는 길이와 모양의 섬유를 안정적으로 생산할 수 있습니다.”

–최수지

가장 어려운 측면은 섬유 정렬과 3D 프린팅 구조의 전반적인 무결성을 유지하기 위해 잉크 내 하이드로겔에 대한 섬유의 원하는 비율 문제를 해결하는 것이었습니다.

최씨가 Fig 잉크를 사용하여 2D 및 3D 구조를 인쇄함에 따라 심근세포는 잉크 내 섬유의 방향과 연계하여 정렬되었습니다. 인쇄 방향을 제어함으로써 최씨는 심장 근육 세포가 정렬되는 방식을 제어할 수 있었습니다.

조직 공학을 통해 설계된 3D 심실 모델. 신용: 하버드 MARES

그는 Fig 잉크로 만든 3D 프린팅 구조물에 전기 자극을 가했을 때 섬유의 방향에 따라 조화로운 수축파가 발생한다는 것을 발견했습니다. 심실 모양의 구조에서 “실제 심장의 심실이 펌프질하는 방식과 유사하게 챔버가 펌프질하는 방식을 보는 것은 매우 흥미로웠습니다”라고 최씨는 말합니다.

그는 더 많은 인쇄 방향과 잉크 공식을 실험하면서 심실과 같은 모양 내에서 훨씬 더 강한 수축을 생성할 수 있음을 발견했습니다.

“실제 심장과 비교했을 때 우리의 심실 모델은 단순화되고 소형화되었습니다.”라고 그는 말합니다. 팀은 이제 더 강력하게 체액을 펌핑할 수 있는 더 두꺼운 근육벽을 갖춘 보다 현실적인 심장 조직을 만들기 위해 노력하고 있습니다. 실제 심장 조직만큼 강하지는 않지만 3D 프린팅된 심실은 이전 3D 프린팅 심장 챔버보다 5~20배 더 많은 양의 체액을 펌핑할 수 있습니다.

팀은 이 기술이 심장 판막, 소형 2챔버 심장 등을 만드는 데에도 사용될 수 있다고 말합니다.

Parker는 “FIG는 우리가 적층 가공을 위해 개발한 도구 중 하나일 뿐입니다.”라고 말합니다. “우리는 재생 치료를 위한 인간 조직을 구축하기 위한 탐구를 계속하면서 다른 방법을 개발 중에 있습니다. 목표는 도구 중심이 되는 것이 아닙니다. 우리는 생물학을 개발하는 더 나은 방법을 찾기 위해 도구에 구애받지 않습니다.”

추가 저자로는 Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T가 있습니다. .푸와 안드레아스 바우쉬.

이 작업은 SEAS의 후원을 받았습니다. 하버드 대학교 재료 연구 과학 및 엔지니어링 센터(DMR-1420570, DMR-2011754)를 통한 국립과학재단; 국립보건원(Nationwide Institutes of Well being) 및 국립중개과학진흥센터(UH3HL141798, 225 UG3TR003279); 미국 국립과학재단(ECCS-2025158, S10OD023519)이 지원하는 NNCI(Nationwide Community for Nanotechnology Coordinated Infrastructure)의 회원인 Harvard University의 CNS(Centre for Nanoscale Programs); 및 미국 화학 학회(American Chemical Society)의 Irving S. Sigal 박사후 연구원.

PAPER – 섬유 주입 젤 스캐폴드는 3D 프린팅된 심실의 심근 세포 정렬을 안내합니다. 최수지, 이길용, Sean L. Kim, Luke A. MacQueen, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, 콜린 리처드슨, 윌리엄 T. 푸, 안드레아스 R. 바우쉬, 케빈 키트 파커. Nat.어머니. 22, 1039-1046(2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01611-3