Биопечать микропористых функциональных живых материалов из белка

Oct 11, 2023

Nature Communications, том 14, номер статьи: 322 (2023) Цитировать эту статью

6235 Доступов

1 Цитаты

18 Альтметрика

Подробности о метриках

Живые материалы объединяют материаловедение и биологию, позволяя создавать и дополнять живые системы новыми функциями. Биопечать обещает точный контроль над образованием таких сложных материалов посредством программируемого осаждения клеток в мягких материалах, но нынешние подходы имеют ограниченный успех в точной настройке клеточного микроокружения при создании устойчивой макроскопической морфологии. Здесь мы решаем эту проблему, используя микрогелевые чернила «ядро-оболочка» для отделения клеточного микроокружения от структурной оболочки для дальнейшей обработки. Клетки микрофлюидно иммобилизуются в вязком ядре, что может способствовать образованию как микробных популяций, так и клеточных сфероидов млекопитающих, с последующим межчастичным отжигом для получения ковалентно стабилизированных функциональных каркасов с контролируемой микропористостью. Результаты показывают, что стратегия «ядро-оболочка» уменьшает утечку клеток, обеспечивая при этом благоприятную среду для клеточной культуры. Кроме того, мы демонстрируем, что различные микробные консорциумы могут быть напечатаны в каркасах для различных применений. Разделяя микробные консорциумы на отдельные микрогели, коллективная биотехнологическая способность каркаса значительно увеличивается, что проливает свет на стратегии по дополнению живых материалов возможностями биообработки.

Живые материалы – это сложные материалы, которые включают живые клетки в неживые компоненты1,2. В зависимости от характера взаимодействий с составляющими клетками такие материалы могут варьироваться от биоинертных сред, выполняющих функции каркаса3,4,5,6,7, до биоматериалов, инструктирующих клетки, которые могут управлять поведением клеток8,9,10, а в последнее время даже к генетически программируемым матрицам, производимым клетками, которые имитируют естественное образование биопленок11,12,13,14,15. Функциональность таких композитных материалов в основном обусловлена ​​встроенными клетками; как таковой, материал всегда должен обеспечивать рост и правильную работу клеток. Однако, как правило, также существуют строгие ограничения на макроскопические свойства материала из-за функциональных требований к конечной структуре, чтобы она представляла физическую форму, с которой можно обращаться, доставлять, сохранять, повторно использовать и защищать клетки. Синергия материалов и биологии не только радикально изменила наше понимание клеточных процессов16, но и дала нам возможность создавать живые системы для множества применений: от терапевтической доставки клеток для регенеративной медицины17,18,19 до доставки по требованию. производство ценных химикатов посредством микробной биопереработки6,7.

Манипулирование пространственным распределением клеток — одна из наиболее востребованных возможностей в области живых материалов. Биопечать, возможно, привлекла наибольшее внимание20,21 благодаря своей универсальности и совместимости со многими мягкими материалами, благоприятными для клеток. Например, биопечать позволяет программируемо помещать клетки млекопитающих в биоактивные гидрогели для создания трехмерных биологических конструкций, которые лучше воспроизводят сложность и гетерогенность нативных тканей22,23,24,25, что имеет огромную трансляционную ценность в биомедицине. Биопечать микробов также нашла все более широкое применение в последние годы, поскольку она способствует нашему пониманию динамических бактериальных сообществ26 и дает представление о совершенствовании биопроцессов3,4,5,6. Однако современные процедуры биопечати часто ставят под угрозу пригодность клеток для улучшения технологичности материала, поскольку присущие биочернилам механические и реологические свойства не могут быть должным образом отделены от клеточного микроокружения27,28. Более того, остается проблемой создание произвольной макроскопической морфологии материала с четко определенными клеточными нишами для установления надежных взаимодействий между различными клеточными сообществами20,21,29.