Специалисты Курчатовского института, МФТИ и Института электрофизики и электроэнергетики РАН разработали технологию производства материалов со сложной геометрией из полимерных волокон. Метод может применяться в тканевой инженерии при создании аналога внеклеточного матрикса.
Новая технология основана на методе электроспиннинга, который уже используется для получения полимерных микро- и нановолокон. Под действием электрического поля полимерный раствор вытягивается в тонкое волокно и дрейфует в сторону коллектора, где в результате осаждения волокон формируется нетканый материал. Теоретически его можно использовать как каркас для выращивания органов, но сделать это не так просто — потребуется сложнейшая архитектура, воспроизводящая морфологию природных тканей.
Чтобы это стало возможным, необходимо контролировать ориентацию и укладку каждого волокна. Исследователи предложили добиться этого с помощью управления положением электрогидродинамической полимерной струи в процессе дрейфа в сторону коллектора.
«Сейчас в нашей конструкции на подложке четыре электрода. Мы можем контролируемо управлять ориентацией слоев волокон, вплоть до монослоя. Увеличивая количество электродов, меняя их расположение, можно задавать все более и более сложную геометрию, контролируя в буквальном смысле положение каждого волокна», — поясняет начальник отдела нанобиоматериалов и структур Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Ксения Луканина.
В ближайшее время ученые планируют перейти к созданию объемных полимерных структур.
«Совмещая механическое вращение и предложенный нами метод контролируемой точки осаждения волокна, мы способны создавать гиперболоидные конструкции, наподобие Шуховской башни, или цилиндрические каркасы с перпендикулярно и вдоль уложенными волокнами», — рассказал заведующий лабораторией электрогидродинамических систем Игорь Ребров.
Еще одно новшество — возможность изменить полярность прикладываемого электрического поля. Это позволяет создать разницу потенциалов, необходимую для осаждения волокон. Это значит, что ориентированные волокна можно получать на диэлектрических поверхностях, что существенно расширяет возможности метода.
«Наша технология занимает нишу между классическим способом, когда материал производится быстро, но без упорядоченной укладки волокон, и 3D-печатью методом стабилизированного электроспиннинга — в этом случае печать происходит поволоконно, но крайне медленно», — пояснил заместитель директора НБИКС-пт по научной работе Тимофей Григорьев.
Ученые надеются, что в дальнейшем полимерные матриксы, заселенные стволовыми клетками самого пациента, решат проблемы нехватки донорских органов и отторжения тканей с неидеальной совместимостью.