1. Введение
За последнее десятилетие область 3D-биопечати претерпела колоссальный прогресс, открыв новые возможности в тканевой инженерии, регенеративной медицине и даже в создании органов. Как технология, предполагающая точное послойное нанесение биологических материалов, 3D-биопечать позволяет создавать сложные тканевые структуры, имитирующие архитектуру и функции естественных тканей. Однако успех этой технологии во многом зависит от совместимости используемых материалов и процессов, особенно когда речь идет о биочернилах, содержащих живые клетки. Биочернила должны быть не только биосовместимыми, но и обладать необходимыми механическими свойствами для поддержания роста тканей, оставаясь при этом пригодными для печати.
Одним из наиболее перспективных подходов в 3D-биопечати является световая биопечать, при которой световая энергия используется для затвердевания жидких биочернил в функциональные тканевые структуры. Световая биопечать обеспечивает более высокую скорость и точность по сравнению с другими методами, такими как экструзионная или струйная биопечать, которые основаны на механических силах. Однако использование ультрафиолетовых (УФ) и фиолетовых источников света в этих процессах создает проблемы с точки зрения цитосовместимости, поскольку воздействие УФ-излучения может повреждать клетки и ДНК, что приводит к снижению жизнеспособности клеток.
Для преодоления этой проблемы разработка новых фотоинициаторов и биочернил, которые могут активироваться более безопасными источниками видимого света, такими как зеленый или красный свет, стала одним из основных направлений исследований. В этом эссе рассматриваются последние достижения в области 3D-биопечати с использованием биобезопасных фотоинициаторов, с акцентом на использование источников света от зеленого к красному для сшивания гидрогелей и успешной инкапсуляции клеток. Мы также обсудим значение этих разработок для тканевой инженерии и будущего технологий биопечати.
2. Роль световой 3D-биопечати в создании тканей.
3D-биопечать быстро стала одним из самых интересных и универсальных методов создания биологически значимых структур. Возможность создавать сложные геометрические формы тканей с высокой точностью делает ее бесценным инструментом в таких областях, как тестирование лекарств, персонализированная медицина и потенциальное создание органов для трансплантации. В частности, 3D-биопечать на основе света имеет ряд преимуществ перед другими методами благодаря своей способности быстро отверждать и затвердевать биочернила с помощью света, что позволяет быстро изготавливать детализированные структуры.
В биопечати с использованием света фотоотверждаемые биочернила, содержащие клетки и биоматериалы, подвергаются контролируемому воздействию света, что запускает реакции сшивания внутри биочернил. Это приводит к образованию стабильных трехмерных гидрогелевых структур, способных инкапсулировать живые клетки в биосовместимую матрицу. Одним из наиболее широко используемых материалов в этом контексте является метакрилат желатина (GelMA), производное природного желатина, которое может быть фотосшито с образованием гидрогелей.
Хотя 3D-биопечать с использованием света обладает уникальными преимуществами, такими как высокое разрешение печати и улучшенный пространственный контроль, цитотоксичность ультрафиолетового и фиолетового света представляет собой серьезную проблему. Было показано, что воздействие ультрафиолетового света вызывает повреждение ДНК и апоптоз в клетках, что подрывает жизнеспособность напечатанных тканевых конструкций. Поэтому растет интерес к разработке систем биопечати, управляемых видимым светом, которые могут обеспечить тот же уровень точности при минимизации повреждения клеток.
3. Проблемы биопечати с использованием УФ-фиолетового света
Ультрафиолетовое и фиолетовое излучение традиционно используются в световой 3D-биопечати, поскольку они обеспечивают быстрое и эффективное сшивание фотореактивных биочернил. Фотоинициаторы, такие как TPO-L, фенил(2,4,6-триметилбензоил)фосфинат лития (LAP) и Irgacure 2959, обычно используются в сочетании с УФ-излучением для запуска свободнорадикальной полимеризации, что приводит к быстрому образованию гидрогелей. Быстрое время отверждения, обеспечиваемое УФ-излучением, особенно выгодно в приложениях, требующих высокой точности и сложной геометрии, например, при создании сосудистых структур.
Однако, несмотря на эти преимущества, использование УФ-излучения сопряжено со значительными недостатками. Известно, что УФ-излучение вредно для живых клеток, вызывая окислительный стресс, повреждение ДНК и другие пагубные последствия, которые могут снизить жизнеспособность клеток. В результате ткани, напечатанные с использованием биочернил, отверждаемых УФ-светом, могут страдать от снижения функциональности и структурной целостности, особенно в контексте долгосрочного применения, такого как регенеративная терапия или трансплантация тканей.
Для смягчения цитотоксического воздействия УФ-излучения исследователи изучают альтернативные методы фотоотверждения биочернил. Один из перспективных подходов включает расширение диапазона длин волн света, используемого в биопечати, до видимого света (400–780 нм) и ближнего инфракрасного (ИК) света (λ ≥ 780 нм), которые менее вредны для клеток. Использование этих более щадящих источников света позволяет добиться фотоотверждения с меньшим повреждением клеток, тем самым улучшая общую жизнеспособность и функциональность напечатанных тканей.
4. Фотополимеризация в видимом свете для обеспечения цитосовместимости
Переход от ультрафиолетового к видимому свету для биопечати сопряжен с рядом проблем, особенно в плане разработки новых фотоинициаторов, совместимых с видимым светом. Традиционные фотоинициаторы, такие как Irgacure 2959, оптимизированы для УФ-длин волн и неэффективны при видимом свете. Для решения этой проблемы исследователи разработали многокомпонентные фотосистемы, функционирующие по механизму реакции типа II, включающему фотосенсибилизирующий краситель и молекулу соинициатора. Эти системы обеспечивают быстрое фотоотверждение при видимом свете, позволяя осуществлять фотоиндуцированные процессы переноса электронов (PET) между красителем и соинициатором.
Последние достижения в разработке фотоинициаторов видимого света открыли новые возможности для биопечати с улучшенной цитосовместимостью. Например, Линн и др. успешно использовали сенсибилизатор ближнего инфракрасного диапазона (H-Nu 815) для биопечати методом цифровой обработки света (DLP), получив структуры высокого разрешения с минимальным повреждением клеток. Аналогичным образом, частицы с апконверсией были использованы для фотополимеризации с помощью ближнего инфракрасного света, предлагая еще одну альтернативу традиционным системам на основе УФ-излучения.
Несмотря на эти достижения, разработка фотоинициаторов, активируемых видимым светом, остается относительно новой областью, и многие из доступных вариантов демонстрируют неоптимальную цитосовместимость. Более того, разнообразие инициаторов, активируемых видимым светом, все еще ограничено, что затрудняет достижение того же уровня эффективности, что и системы на основе УФ-излучения. В результате существует острая необходимость в разработке новых фотоинициаторов, которые могут работать в видимом свете, сохраняя при этом высокий уровень жизнеспособности клеток.
5. Новые фотоинициаторы для сшивания зелено-красных светодиодов.
Стремясь преодолеть ограничения существующих фотоинициаторов, исследователи сосредоточились на разработке новых фотоинициаторов, которые могут активироваться источниками света от зеленого до красного спектра. Зеленый и красный свет, находящиеся в видимом спектре, обладают преимуществом меньшей вредности для клеток по сравнению с ультрафиолетовым или фиолетовым светом, что делает их идеальными для применений, связанных с инкапсуляцией живых клеток.
В данном исследовании были синтезированы и оценены четыре фотоинициатора на основе цианиновых красителей — CZBIN, TDPABIN, Col-SH-CZ и Col-SH-TD — на предмет их потенциала в фотополимеризации с использованием светодиодов зеленого и красного цветов. Эти инициаторы были разработаны таким образом, чтобы обладать сильным поглощением в диапазоне 400–600 нм, что делает их пригодными для использования с источниками зеленого и красного света. Два макромолекулярных красителя на основе коллагена, Col-SH-CZ и Col-SH-TD, продемонстрировали превосходную цитосовместимость, что делает их особенно подходящими для биочернил, содержащих клетки.
При включении в гидрогели GelMA эти новые фотоинициаторы обеспечивали эффективное сшивание под воздействием зеленого и красного света. Важно отметить, что процесс сшивания оказывал минимальное влияние на жизнеспособность клеток: клетки L929, инкапсулированные в гидрогели, достигали 90% жизнеспособности после облучения зеленым светом. Это значительное улучшение по сравнению с традиционными системами на основе УФ-излучения, которые часто приводят к снижению жизнеспособности клеток из-за цитотоксического действия УФ-света.
Успех этих новых фотоинициаторов в обеспечении инкапсуляции клеток под воздействием зеленого и красного света подчеркивает их потенциал для использования в широком спектре применений биопечати. Они не только обеспечивают улучшенную цитосовместимость, но и позволяют проявлять большую гибкость в выборе источников света, что делает их ценным дополнением к инструментарию 3D-биопечати.
6. Применение и перспективы развития
Разработка фотоинициаторов биобезопасности для сшивания зеленых и красных светодиодов открывает захватывающие возможности для будущего 3D-биопечати. Снижая цитотоксичность, связанную с УФ-излучением, эти новые фотоинициаторы позволяют создавать более функциональные, биосовместимые тканевые конструкции, которые могут использоваться в самых разных областях, от тестирования лекарств до персонализированной трансплантации тканей.
Одно из наиболее перспективных применений этих технологий — в области регенеративной медицины, где биопечатные ткани могут использоваться для восстановления или замены поврежденных органов. В этом контексте крайне важна возможность печати тканей с высокой жизнеспособностью клеток, поскольку долгосрочный успех трансплантата зависит от здоровья и функциональности клеток внутри напечатанной ткани. Использование фотоинициаторов видимого света также может способствовать включению более сложных биоматериалов в биочернила, что еще больше повысит функциональность напечатанных тканей.
В перспективе существует потенциал для расширения спектра фотоинициаторов видимого света, доступных для 3D-биопечати. Исследователи уже изучают использование природных продуктов, таких как куркуминоиды и флавоноиды, в качестве фотоинициаторов для биопечати на основе видимого света. Эти соединения, полученные из природных источников, обладают двойным преимуществом: они биосовместимы и обладают сильными светопоглощающими свойствами в сине-зеленом диапазоне. Например, было показано, что куркуминоиды способствуют свободнорадикальной полимеризации под воздействием сине-зеленого светодиодного света, что делает их перспективными кандидатами для будущих биочернил.
Более того, достижения в области фотоинициирующих систем с использованием красителей, где природные или синтетические красители выступают в качестве основных поглотителей света, могут еще больше расширить диапазон используемых длин волн. Эти системы, работающие на основе механизмов фотоиндуцированного переноса электронов (ФЭТ), обеспечивают гибкость в выборе источников света и могут позволить использовать дальний красный или ближний инфракрасный свет для биопечати. Это было бы особенно выгодно для применений, требующих более глубокого проникновения в ткани, поскольку более длинные волны света менее склонны к рассеянию и поглощению биологическими тканями.
Еще одно перспективное направление будущих исследований заключается в разработке гибридных фотоинициирующих систем, сочетающих фотоинициаторы видимого света с другими методами полимеризации, такими как термическое или химическое сшивание. Интеграция нескольких механизмов сшивания в одни биочернила может позволить добиться еще большего контроля над механическими свойствами и биологической совместимостью напечатанных тканей. Эти гибридные системы также могут обеспечить биопечать в различных масштабах, позволяя одновременно создавать микро- и макроструктуры в рамках одной тканевой конструкции.
7. Заключение
3D-биопечать представляет собой революционный прорыв в тканевой инженерии, способный преобразовать такие области, как регенеративная медицина, персонализированное здравоохранение и тестирование лекарственных препаратов. Однако успех технологий биопечати во многом зависит от разработки биочернил и фотоинициаторов, которые были бы одновременно биосовместимыми и эффективными в создании стабильных, функциональных тканевых структур. В частности, 3D-биопечать на основе света предлагает значительные преимущества с точки зрения точности и скорости, но зависимость от ультрафиолетового и фиолетового света создает серьезные проблемы с цитосовместимостью.
Внедрение фотоинициаторов, преобразующих зеленый свет в красный, подобных тем, которые обсуждаются в данном исследовании, представляет собой важный шаг вперед в преодолении этих проблем. Эти новые фотоинициаторы, разработанные для поглощения в видимом спектре, позволяют безопасно и эффективно сшивать гидрогели в присутствии живых клеток. Их высокая цитосовместимость и высокая эффективность при зеленом и красном светодиодном освещении открывают захватывающие перспективы для широкого спектра применений в биопечати, от тканевых каркасов до органоидов.
Дальнейшие исследования в этой области должны продолжать изучать новые классы фотоинициаторов, включая соединения, полученные из природных продуктов, и гибридные системы, сочетающие в себе несколько механизмов сшивания. Расширение диапазона используемых длин волн и повышение функциональности биочернил могут значительно продвинуть область 3D-биопечати и приблизить нас к созданию полностью функциональных биопечатных тканей и органов.
В заключение, разработка фотоинициаторов биобезопасности для сшивания зелено-красным светом в 3D-биопечати меняет правила игры в тканевой инженерии. Она предлагает двойное преимущество: сохранение высокой жизнеспособности клеток и возможность точного изготовления сложных тканевых структур с помощью света. По мере развития исследований и внедрения новых материалов будущее 3D-биопечати выглядит все более многообещающим, способным произвести революцию в медицине и создать беспрецедентные возможности для восстановления и регенерации тканей.
