2891
Дослідники з Пенсільванського університету (Penn State) розробили спосіб керувати вирівнюванням живих клітин за допомогою мініатюрних сонячних елементів. Такий підхід дає змогу бездротово спрямовувати орієнтацію клітин і може стати альтернативою громіздким електричним системам у тканинній інженерії, повідомляє видання Interesting Engineering.
Метод використовує крихітні фотогальванічні елементи, розміщені на кремнієвих чипах. Вони перетворюють світло на локальні електричні поля, які впливають на те, як орієнтуються клітини. Змінюючи розмір і просторовий візерунок цих «мікросонячних панелей», можна задавати групам клітин певні схеми розташування — без прямого підключення електродів.
Чому орієнтація клітин така важлива
У біодруці живі клітини разом з біоматеріалами (так званим біочорнилом) наносять шарами, формуючи штучні тканини. Від того, наскільки впорядковано розташовані клітини, залежить, як сформується і працюватиме тканина, наприклад, м’язова чи серцева.
Раніше для впливу на орієнтацію клітин часто застосовували електричну стимуляцію. Проте такі системи зазвичай включають масштабне обладнання, дротові електроди й інвазивні підключення, що ускладнює точний контроль і мініатюризацію.
Щоб обійти ці обмеження, команда Penn State створила впорядковані масиви кремнієвих фотогальванічних мікрокомірок. Ці пристрої вловлюють світло та генерують локальні електричні поля без необхідності прокладати дроти до кожної ділянки, де ростуть клітини.
Експерименти з клітинами легенів і шкіри
У роботі, опублікованій в журналі Advanced Functional Materials, дослідники перевірили два варіанти керування полями на чипі. Спочатку вони змінювали діаметр окремих фотогальванічних комірок у діапазоні від 80 до 800 мікрометрів. Потім випробували різні схеми їхнього розташування, залишаючи розмір незмінним.
На кремнієві чипи з такими масивами розміщували комерційно доступні фібробласти людини — клітини сполучної тканини легенів і шкіри, які відповідають за формування та підтримання структурного «каркаса» тканин. Зразки протягом семи днів опромінювали світлом різної інтенсивності, а для порівняння використовували чипи без освітлення.
Світлові візерунки задають напрямок росту клітин
Фібробласти, які росли на чипах без освітлення, зафіксували доволі випадкову орієнтацію — їхній напрямок вирівнювання не мав виразного порядку. Натомість клітини, що перебували під дією світла, почали шикуватися відповідно до візерунків фотогальванічних масивів.
Крім того, виявилося, що зміна інтенсивності освітлення змінює електричну відповідь мікросонячних елементів. Це дало дослідникам ще один «важіль керування» орієнтацією клітин: можна не лише переставляти й масштабувати самі мікрокомірки, а й регулювати силу світла.
Маніпулюючи розміром, кроком і розташуванням фотогальванічних мікрокомірок, команда змінювала конфігурацію електричних полів на поверхні чипа. Хоча вплив полів не дає повного контролю над кожною клітиною — на їхню поведінку все ще суттєво впливають взаємодії з сусідами, — експерименти демонструють, що світлоприводна електрична стимуляція здатна спрямовано організовувати групи клітин без дротових електродів.
Наступні кроки та потенціал для 3D-тканин
Тепер дослідники планують перевірити технологію на чутливіших типах клітин, зокрема серцевих і м’язових, щоб з’ясувати, чи можна за допомогою електричного стимулювання не лише задавати орієнтацію, а й впливати на функціональну активність таких клітин.
Наступна мета — вийти за межі пласких поверхонь і перейти до тривимірних структур. У такому середовищі фотогальванічні масиви зможуть створювати електричні поля в різних напрямках, відкриваючи шлях до більш точного контролю над тим, як клітини організовуються всередині зростаючих тканин.
Отримані результати можуть у перспективі підтримати розвиток точнішої тканинної інженерії та регенеративної медицини. Втім, автори роботи наголошують, що потрібні додаткові дослідження, перш ніж цей підхід можна буде застосувати для створення повноцінних функціональних тканин, надрукованих у 3D.
Мініатюрні сонячні елементи керують орієнтацією живих клітин світлом з’явилася спочатку на Цікавості.
