섬유

Dec 06, 2023

섬유 주입 잉크를 통해 뛰는 3D 프린팅 심장 근육

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

Nature Materials에 발표된 논문에서 Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences(SEAS)의 연구원들은 심장 박동을 모방하는 기능성 심장 심실의 3D 프린팅을 가능하게 하는 젤라틴 섬유가 주입된 새로운 하이드로겔 잉크의 개발을 보고했습니다. 인간의 마음. 그들은 섬유 주입 젤(FIG) 잉크가 심실 모양으로 인쇄된 심장 근육 세포가 인간의 심장 방처럼 조화롭게 정렬되고 박동할 수 있게 한다는 것을 발견했습니다.

“사람들은 임상 환경에서 일어날 수 있는 일을 예측하는 방법으로 약물 안전성과 효능을 테스트하기 위해 장기 구조와 기능을 복제하려고 노력해 왔습니다.”라고 SEAS의 연구원이자 논문의 첫 번째 저자인 최수지(Suji Choi)는 말합니다. 그러나 지금까지 3D 프린팅 기술만으로는 심장 근육을 수축시키기 위해 전기 신호를 조화롭게 전송하는 역할을 하는 세포인 심근 세포의 생리학적으로 관련된 정렬을 달성할 수 없었습니다.

우리는 생물학적 조직의 3D 프린팅의 일부 부적절함을 해결하기 위해 이 프로젝트를 시작했습니다.

혁신은 인쇄 가능한 잉크 내에 섬유를 추가하는 데 있습니다. 최씨는 “FIG 잉크는 인쇄 노즐을 통해 흐를 수 있지만 일단 구조가 인쇄되면 3D 형태를 유지합니다.”라고 말합니다. "이러한 특성 때문에 추가 지지 재료나 비계를 사용하지 않고도 심실과 같은 구조 및 기타 복잡한 3D 모양을 인쇄하는 것이 가능하다는 것을 알았습니다."

Fig 잉크를 만들기 위해 최씨는 솜사탕이 회전되는 방식과 유사한 접근 방식을 사용하여 극세사 소재를 제작하는 Parker 연구실에서 개발한 회전식 제트 회전 기술을 활용했습니다. 논문의 공동 저자이자 박사후 연구원인 Luke MacQueen은 로터리 제트 회전 기술로 생성된 섬유를 잉크에 추가하고 3D 프린팅할 수 있다는 아이디어를 제안했습니다.

“Luke가 이 개념을 개발했을 때 비전은 하한에서 바닥을 떨어뜨려 나노미터 규모로 낮춤으로써 3D 프린터로 인쇄할 수 있는 공간 규모의 범위를 넓히는 것이었습니다.”라고 Parker는 말합니다. "전기방사보다 회전식 제트 방사로 섬유를 생산하는 것의 장점은"(초극세 섬유를 생성하는 보다 전통적인 방법) "전기방사에서 전기장에 의해 분해될 단백질을 사용할 수 있다는 것입니다."

로터리 제트를 사용하여 젤라틴 섬유를 회전시킨 최씨는 면과 비슷한 모양의 시트 소재를 생산했습니다. 다음으로 그녀는 초음파 처리(음파)를 사용하여 시트를 길이 약 80~100마이크로미터, 직경 약 5~10마이크로미터의 섬유로 분해했습니다. 그런 다음 그녀는 그 섬유를 하이드로겔 잉크에 분산시켰습니다.

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

가장 어려운 측면은 섬유 정렬과 3D 프린팅 구조의 전반적인 무결성을 유지하기 위해 잉크 내 섬유와 하이드로겔 사이의 원하는 비율을 문제 해결하는 것이었습니다.

최씨가 Fig 잉크를 사용해 2D, 3D 구조를 프린팅하자 심근세포가 잉크 내부의 섬유 방향과 일직선으로 배열됐다. 인쇄 방향을 제어함으로써 최씨는 심장 근육 세포가 정렬되는 방식을 제어할 수 있었습니다.

그녀는 Fig 잉크로 만든 3D 프린팅 구조에 전기 자극을 가했을 때 섬유의 방향에 맞춰 조화로운 수축파가 발생한다는 것을 발견했습니다. 심실 모양의 구조에서 "실제 심장 심실이 펌프질하는 것과 비슷한 방식으로 챔버가 실제로 펌프질하는 것을 보는 것은 매우 흥미로웠습니다"라고 최씨는 말합니다.