Новости

Aug 07, 2023

Электропроводящие каркасы, имитирующие иерархическую структуру миофибрилл сердца.

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2863 (2023) Цитировать эту статью

1267 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Электропроводящие каркасы, имитирующие уникальное направленное расположение мышечных волокон в миокарде, изготавливаются с использованием техники микростереолитографии 3D-печати. Диакрилат полиэтиленгликоля (фоточувствительный полимер), Irgacure 819 (фотоинициатор), куркумин (краситель) и полианилин (проводящий полимер) смешиваются для получения проводящих чернил, которые сшиваются с помощью реакции свободнорадикальной фотополимеризации. Куркумин действует как фильтр жидкости и предотвращает проникновение света глубоко в светочувствительный раствор, а также играет центральную роль в процессе 3D-печати. Полученные каркасы демонстрируют четко выраженную морфологию со средним размером пор 300 ± 15 мкм и полупроводниковые свойства с проводимостью ~ 10–6 См/м. Анализы циклической вольтамперометрии обнаруживают электроактивность и подчеркивают, что перенос электронов также включает ионную диффузию между полимером и раствором электролита. Каркасы достигают максимальной степени набухания через 30 минут после погружения в PBS при температуре 37 ° C, а через 4 недели они демонстрируют медленную скорость гидролитического разложения, типичную для сети полиэтиленгликоля. Проводящие каркасы демонстрируют настраиваемую проводимость и обеспечивают оптимальную среду для культивируемых сердечных клеток-предшественников мыши.

Биологические ткани обычно классифицируются по типам клеток, встроенным в их текстуру, экспрессии различных молекул, вносящих вклад в их механизм, и семействам факторов, секретируемых на различных этапах их дифференцировки. Однако по ним также проходят слабые электрические токи, имеющие решающее значение для их межклеточной коммуникации и функционирования1. В миокарде и нервах на эти базальные токи накладываются самогенерируемые циклические электрические волны, способные порождать сигналы и механические силы, которые через соседние клетки достигают наиболее периферических областей тела. В этом контексте функция ткани миокарда модулируется уникальными механическими свойствами и анизотропной структурой сердечной ткани, в которой широкая трехмерная сеть внеклеточного матрикса (ECM) ориентирует кардиомиоциты, механически соединяет их, обеспечивая их электрическую связь, и обеспечивает эластичную поддержку во время сокращения желудочков. Ориентация волокон миокарда варьирует трансмурально по всей стенке желудочка. Эти волокна идут в направлении правой спирали в субэндокардиальной области, проходят по окружности через среднюю стенку и поворачиваются в направлении левой спирали в субэпикардиальной области, внося значительный вклад в сердечную перекачку2,3. Травматические события и дегенеративные заболевания, среди прочего, часто приводят к невосстановимым повреждениям этой замечательной биоархитектуры из-за плохой врожденной способности сердца к регенерации4. Поврежденные участки заменяются богатой коллагеном рубцовой тканью, которая искажает геометрию желудочков и затрудняет регулярный поток электрических сигналов, что в конечном итоге приводит к аритмиям и сердечной недостаточности5.

За последние десятилетия прогресс в биологических науках, инженерии, материаловедении и передовых технологиях микро/нанопроизводства предположил возможность восстановления поврежденных областей желудочков путем изготовления и имплантации полосок здорового миокарда. С этой целью был использован междисциплинарный подход (тканевая инженерия), чтобы соответствовать сложности биоархитектуры и функции ткани миокарда. В типичном эксперименте по тканевой инженерии стволовые клетки помещают в биосовместимый полимерный каркас, отдаленно имитирующий ЕСМ ткани. Каркас обычно состоит из природного или синтетического биоматериала или их комбинации (каркас), и с использованием этого подхода были созданы и имплантированы in vivo несколько искусственных тканей, подобных сердцу6,7,8,9,10,11. Однако, несмотря на чрезвычайные усилия во всем мире, результаты еще не достаточны для клинического использования12,13. Причину этой неудачи, среди прочего, можно найти в каркасах, неадекватно имитирующих биоархитектуру ткани14. Первоначально каркасы предназначались просто как механическая опора для роста и размножения культивируемых клеток. Позже было обнаружено, что клеточная дифференциация может быть усилена за счет специфических физических, химических, механических и биологических свойств каркаса в ожидании, пока клетки секретируют свой собственный ЕСМ.