aA
Pristatytas naujas būdas formuoti trimačius mikroporėtus darinius. Tokie objektai gali būti taikomi kaip karkasai ląstelių auginimui ir audinių inžinerijai, mikrofluidikoje ir mikromechanikoje. Šis metodas paremtas terminės ekstruzijos 3D spausdinimu ir lazeriniu mikroapdirbimu – šių abiejų technologijų jungimas leidžia greitai ir pigiai gaminti porėtus mikrodarinius, lanksčiai keisti jų geometriją, fizikinius, cheminius, biologinius parametrus. Dabar ši unikali technologija įdiegta ir veikia Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centre, o Biochemijos institute tiriamos galimybės šiuos gaminius pritaikyti audinių inžinerijai. Tai Lietuvos lazerių, biochemijos ir medicinos sričių mokslininkų bendradarbiavimo rezultatas.
Dr. Mangirdas Malinauskas
© Asmeninio archyvo nuotr.

3D spausdinimo pritaikymas audinių inžinerijoje

Naudojant terminės ekstruzijos 3D spausdintuvą (ang. FFF – fused filament fabrication arba FDL – fused deposition modeling) išliejamas norimos geometrijos trimatis darinys (1 pav.). Šiuo atveju tai – darinys, turintis ne tik išorinę geometriją, bet ir vidinę mikroarchitektūrą. Tai pasiekiama tiksliai derinant lydomos medžiagos temperatūrą, padavimo srautą ir trajektoriją. Taip suformuojami dariniai, kurių erdviniai elementai gali būti šimtų mikrometrų, o juos skiriančios poros – dešimčių kubinių mikrometrų dydžio. Taigi taip galima kurti darinius, kurių porėtumas (oro ir viso darinio tūrio santykis) svyruoja nuo 20 iki 60 proc. Porų matmenys gana artimi žinduolių ląstelių dydžiams, tad tokie objektai yra tinkami kamieninių ląstelių auginimui, jų migracijos ir diferenciacijos tyrimui. Gauti rezultatai leidžia teigti, kad visa tai gali būti panaudojama audinių inžinerijoje, pavyzdžiui, pacientui šalinant kaulo defektą. Svarbu paminėti ir tai, kad šiuose darbuose buvo naudojama polilaktinė rūgštis (ang. PLA – polylactic acid), gaunama iš kukurūzų ar cukrašvendrių krakmolo. Ji yra biosutaikoma ir bioskaidi, tad iš jos galima gaminti implantus, kurie laikui bėgant organizme būtų rezorbuojami ir nepaliktų jokių žymių.

1 pav. Trimačių mikroporėtų karkasų formavimo etapai: 3D spausdinimas ir lazerinis modifikavimas.
1 pav. Trimačių mikroporėtų karkasų formavimo etapai: 3D spausdinimas ir lazerinis modifikavimas.
© VU nuotr.

Gautų darinių modifikavimas lazeriu

3D darinius galima sėkmingai papildomai modifikuoti Lietuvoje gaminamu ultratrumpųjų impulsų lazeriu „Pharos“ (MGF „Šviesos konversija“). Tam naudojamas efektyvus paviršiaus ir tūrio mikroapdirbimas šviesos gija. Tai nauja lazerinio formavimo kryptis, leidžianti paveikti tiek skaidrias, tiek neskaidrias terpes, jas graviruoti, gręžti, sulydyti ar tiesiog išpjauti įvairias formas. Standartiškai lazeriniame mikroapdirbime naudojamas aštriai fokusuotas pluoštas, o ultratrumpieji impulsai leidžia tiksliai paveikti norimą paviršiaus ar tūrio sritį (2 pav. a ir b). Užliejus bandinį vandeniu (2 pav. c), galima jame indukuoti šviesos giją (filamentą), kuri būtų vienodo šviesos intensyvumo (energijos tankio) išilgai pluošto sklidimo krypties. Tai leidžia tiksliai ir tolygiai naudoti šviesos energiją gręžiant skyles ar pjaustant sudėtingos geometrijos darinius.

2 pav. Lazerinis mikroapdirbimas naudojant ultratrumpuosius impulsus ir aštriai fokusuotą pluoštą: (a) paveikiamas medžiagos paviršius; (b) įrašoma skaidrios terpės tūryje; (c) apdirbimas skystyje indukuota šviesos gija, kuri užtikrina tolygų šviesos ener
2 pav. Lazerinis mikroapdirbimas naudojant ultratrumpuosius impulsus ir aštriai fokusuotą pluoštą: (a) paveikiamas medžiagos paviršius; (b) įrašoma skaidrios terpės tūryje; (c) apdirbimas skystyje indukuota šviesos gija, kuri užtikrina tolygų šviesos energijos įvedimą išilgai pluošto sklidimo krypties.
© VU nuotr.

Pagaminami bandiniai

Darinių mikrosandarai tirti naudojamas skenavimo elektronų mikroskopas (SEM), didinantis iki 10 tūkstančių kartų ir leidžiantis pamatyti net nanometrų dydžio detales (3 pav.). 4–6 pav. pateikti 3D spausdintuvu pagamintų PLA darinių, apdirbtų lazeriu naudojant šviesos giją, SEM vaizdai, 7 pav. – kaip tokie dariniai matomi plika akimi.

3 pav. 3D spausdintuvu pagamintas mikroporėtas karkasas iš PLA: (a) – vaizdas iš viršaus, (b) – vaizdas iš šono.
3 pav. 3D spausdintuvu pagamintas mikroporėtas karkasas iš PLA: (a) – vaizdas iš viršaus, (b) – vaizdas iš šono.
© VU nuotr.
4 pav. Lazeriu mikrostruktūrizuotas 3D spausdintuvu iš PLA pagamintas darinys: (a, b) – plokščias banguotas paviršius, (c, d) – trimatis rąstų rietuvės darinys.
4 pav. Lazeriu mikrostruktūrizuotas 3D spausdintuvu iš PLA pagamintas darinys: (a, b) – plokščias banguotas paviršius, (c, d) – trimatis rąstų rietuvės darinys.
© VU nuotr.
5 pav. Femtosekundine šviesos gija išgręžtos skylės PLA plėvelėje ir 3D spausdintame mikrodarinyje.
5 pav. Femtosekundine šviesos gija išgręžtos skylės PLA plėvelėje ir 3D spausdintame mikrodarinyje.
© VU nuotr.
6 pav. Pilnaviduriai ir mikroporėti įvairių formų mikrodariniai iš PLA.
6 pav. Pilnaviduriai ir mikroporėti įvairių formų mikrodariniai iš PLA.
© VU nuotr.
7 pav. Įvairių formų ir spalvų mikrodariniai iš PLA ant milimetrinio popieriaus, suformuoti 3D spausdintuvu ir vėliau apdirbti femtosekundine šviesos gija – išpjaunamos įvairios formos, pragręžiamos skylės, įpjaunami mikrogrioveliai.
7 pav. Įvairių formų ir spalvų mikrodariniai iš PLA ant milimetrinio popieriaus, suformuoti 3D spausdintuvu ir vėliau apdirbti femtosekundine šviesos gija – išpjaunamos įvairios formos, pragręžiamos skylės, įpjaunami mikrogrioveliai.
© VU nuotr.

Acetono poveikis

Pastebėta, kad PLA bandinius užmerkus į acetoną jų paviršius smarkiai paveikiamas – formuojasi nanošiurkštus sluoksnis, kuris vėliau virsta į mikrogranules ir delaminuojasi (atsilupa).

Tad vien tik acetono vonelėje galima modifikuoti paviršių taip, kad jis taptų smarkiai hidrofiliškas (vilgus). Ant tokio paviršiaus lašelis vandens nenuteka kaip nuo žąsies plunksnų, bet išplinta, drėkindamas didelį plotą. Šis reiškinys labai svarbus ląstelių adhezijai (prilipimui), nes medžiagos vilgumą lemia ne jos savybės, bet paviršiaus struktūra. Taip nanostruktūrizuojant paviršių galima kontroliuoti hidrofiliškumą, pasiekti reikiamą lygmenį konkrečių ląstelių auginimui.

8 pav. Acetono poveikis PLA paviršiui: (a) – prieš užmerkiant, (b) – po 1 minutės, (c) – po 8 minučių, (d) – mikroporėtas darinys po 1 minutės.
8 pav. Acetono poveikis PLA paviršiui: (a) – prieš užmerkiant, (b) – po 1 minutės, (c) – po 8 minučių, (d) – mikroporėtas darinys po 1 minutės.
© VU nuotr.

Struktūros įtaka ląstelėms

Organizme ląsteles supa aplinka, kuri iš esmės lemia jų likimą. Nuo šios aplinkos fizinės struktūros ir cheminės sudėties, sąveikų tarp pačių ląstelių ir su tarpląsteliniu užpildu priklauso ląstelių gyvybingumas, dauginimosi intensyvumas bei diferenciacija (specializacija). Gauti rezultatai rodo, kad aptartos PLA struktūros kaip karkasai ląstelių auginimui gerai imituoja užląstelinę aplinką ir yra tinkamas darinys dirbtinių audinių formavimui. Auginant ne visai diferencijuotas (kamienines) ląsteles ant tokių karkasų gaunamas gyvas 3D struktūros dirbtinis audinys, kuris gali būti panaudojamas medicinoje. Derinant 3D spausdintuvu pagamintų karkasų porėtumą su mikrostruktūrizavimu lazerinėmis bei kitomis technologijomis galima valdyti ne tik ląstelių auginimą, bet ir jų diferenciaciją. Apie tai, kad ląstelių prisitvirtinimo paviršiaus subtilios mikrostruktūros yra svarbios jų išsidėstymui ir diferenciacijai, galima spręsti iš 9 pav., kuriame matomos ant 3D suformuotų skirtingo porėtumo struktūrų (a, b, d, e) augančios triušio skersaruožio raumens kilmės kamieninės ląstelės. Ant briaunų išsitempusios ląstelės demonstruoja paviršiaus įtaką jų diferenciacijai. Mikrostruktūrizavimas yra svarbus ir ląstelių adhezijai: daugiau sąlyčio taškų, didesnė tikimybė ląstelei prilipti, o per prisitvirtinimo taškus perduodama informacija daro įtaką ląstelių dauginimuisi, diferenciacijai, jų išgyvenimui arba žuvimui. Skirtingoms ląstelėms reikalingas skirtingas paviršius, kuris nevienodai veikia auginamas ląsteles. Taip, keičiant karkaso struktūrą, galima gauti norimą ląstelių aplinką ir kontroliuoti dirbtinio audinio ląstelių likimą.

9 pav. (a) – pilno užpildymo ir (d) – 3D karkasai, pagaminti 3D spausdintuvu; vaizdai, gauti dėl SEM ; (b) ir (e) – tie patys karkasai šviesiniu bei fluorescenciniu (c) ir (f) mikroskopu; (c) ir (f) nuotraukose kamieninės miogeninės ląstelės, dažytos etid
9 pav. (a) – pilno užpildymo ir (d) – 3D karkasai, pagaminti 3D spausdintuvu; vaizdai, gauti dėl SEM ; (b) ir (e) – tie patys karkasai šviesiniu bei fluorescenciniu (c) ir (f) mikroskopu; (c) ir (f) nuotraukose kamieninės miogeninės ląstelės, dažytos etidžio bromidu ir akridino oranžiniu dažais, augintos ant tų pačių karkasų; žalias ląstelių švytėjimas rodo, kad jos yra gyvos (negyvos švytėtų raudonai).
© VU nuotr.

Mezoskaliniai dariniai

Tokie keliomis formavimo technologijomis pagaminti dariniai išsiskiria derinamomis savybėmis makro- ir mikrolygmenyje. Kaip matyti pateiktose mikronuotraukose, objektų forma matoma plika akimi, ji apčiuopiama pirštais (7 pav.), tačiau jie turi vidinę mikrostruktūrą (3–5 pav.) ir yra derinamo paviršiaus šiurkštumo nanometriniame lygmenyje. Tokiems dariniams apibūdinti nebeužtenka žodžio mikroskopiniai. Reikia naujo termino mezoskopiniai. Jis reiškia, kad jų matmenys yra centimetrų dydžio, o funkcines savybes lemia mikrometrinės ar net nanometrinės morfologijos.

Ateities perspektyvos

Ateityje ketinama tokius darinius panaudoti kuriant biorezorbuojamus implantus, kurie galėtų pakeisti dabar naudojamus biologinės kilmės (kito gyvūno) ar sintetinius (biologiškai intertiškus, liekančius organizme visam gyvenimui). Manoma, kad tokie karkasai pagelbėtų protezuojant kaulo defektus ar net chirurgiškai gydant išvaržą. Vilčių suteikia neformalus Vilniaus universiteto tarpdisciplininis mokslininkų kolektyvas, kurio darbo rezultatais ir galimu jų panaudojimu suinteresuota ne viena komercinė bendrovė. Džiugina ir tai, kad tokie moksliniu požiūriu ir pasauliniu mastu unikalūs tyrimai atliekami Lietuvoje.

Visą mokslinį darbą galite perskaityti čia.

Parašykite savo nuomonę
arba diskutuokite anonimiškai čia
Skelbdami savo nuomonę, Jūs sutinkate su taisyklėmis
Rodyti diskusiją Rodyti diskusiją

VU bioinformatikų sukurtos baltymų kompleksų struktūros – tarp geriausių pasaulyje (2)

Gruodį Meksikoje vyko 13-ojo pasaulinio baltymų struktūros modeliavimo konkurso CASP (angl....

Ar įmanoma perpjauti atomą? (11)

Tikriausiai esate girdėję, kad tomo skilimas sukelia didžiulį energijos išlydį, kurį galima...

Planetų formavimosi subtilybės (1)

Šiuo metu žinoma daugiau nei 4000 egzoplanetų, bet jų formavimosi proceso detalės kol kas yra...

Mūsų Visatos paslaptys ir grožis (2)

Kai tik žmogus gimsta, nesvarbu, kur ir kada, nesvarbu, kokios lyties, odos spalvos ar orientacijos,...

Kaip greitai Lietuvos rūšis matysime tik archyviniuose kadruose? (3)

Mūsų planeta yra išskirtinė, nes joje yra ypatingos sąlygos gyvybės egzistavimui. Kiekviename...

Top naujienos

Mokytojų streiko iniciatorius Navickas: kas jis? (84)

Keturių vaikų tėvas, kūno kultūros ir fizikos mokytojas, ekonomistas, visuomenininkas,...

Nuo Naujųjų keičiasi atlyginimai – ką turi padaryti darbuotojai (2)

Nuo kitų metų sausio 1 d. įsigalioja Valstybinio socialinio draudimo ( VSD ) įstatymo pakeitimai,...

Vladimiras Laučius. Kodėl Saulius Skvernelis greičiausiai kandidatuos (176)

Premjeras Saulius Skvernelis kol kas nepadarė tokių klaidų, kurios užkirstų jam kelią į...

FNTT krečia Alytaus rajono savivaldybę papildyta (35)

Finansinių nusikaltimų tyrimo tarnybos (FNTT) pareigūnai trečiadienį krečia konservatoriaus...

Seime – dar viena Jakeliūno iniciatyva: šįkart nusitaikė į žiniasklaidą (1)

Trečiadienį Seimo Biudžeto ir finansų komitete buvo svarstytos Azartinių lošimų įstatymo...

Rimvydas Paleckis apie brolio suėmimą: jeigu jis būtų paklausęs manęs ar tėvų, viso to nebūtų (74)

Teisėsaugai trečiadienį paskelbus, kad dėl galimo šnipinėjimo Rusijai suimtas buvęs...

Mitybos specialistės Vaidos Kurpienės patiekalų pasiūlymai šventiniam stalui 3 receptai

Šventinis laikas kasmet lemia naujus iššūkius. Kuo nustebinti draugus ir artimuosius, ką dėti...

Pasaulio galiūnės – dar viename mūšio lauke: poveikį pajaus visi (33)

Kinijai vis intensyviau konkuruojant dėl pasaulinės įtakos, JAV prezidento Donaldo Trumpo...

Šnipinėjimo byla: Algirdas Paleckis sulaikytas ne vienas, tyrimas susijęs su politinėmis partijomis (1301)

Trečiadienio rytą viešumą pasiekė žinia, jog tiriant šnipinėjimo bylą suimtas buvęs...

Naujas „Daruššafaka“ strategas: „Žalgiris“ – vidutinio lygio ekipa, kurią galime nugalėti specialiai Krepšinis.lt iš Stambulo (51)

„Labai įtempta savaitė, vos atvykus čia be treniruotės iškart keliavome į Atėnus, mačas su...