Сердечные клапаны, изготовленные за считанные минуты, контролируют кровоток

Ячеечный пресс

видео: на этом видео показано открытие и закрытие синтетического сердечного клапана (изготовленного с использованием технологии Focused Rotary Jet Spinning).посмотреть больше

Фото: Сара Мотта и Кристоф Шантр.

Исследователи разработали метод дешевого изготовления сердечных клапанов за считанные минуты, которые становятся функциональными сразу после имплантации овцам. Ученые называют свой метод «Фокусированное вращательное струйное вращение», который они описывают как «машину для производства сладкой ваты с феном позади нее». Хотя для проверки выносливости клапанов необходимы долгосрочные исследования in vivo, они эффективно контролировали кровоток в течение часа у овец. Прототип появится 7 июня в журнале Matter.

«Два больших преимущества нашего метода — это скорость и пространственная точность», — говорит биоинженер Майкл Питерс из Гарвардского университета, один из первых авторов исследования. «Мы можем создать очень маленькие волокна – в наномасштабе – которые имитируют внеклеточный матрикс, внутри которого привыкли жить и расти клетки сердечного клапана, и мы можем раскручивать полные клапаны за считанные минуты, в отличие от доступных в настоящее время технологий, которые могут занять недели или месяцы, чтобы сделать».

Клапаны легочного сердца состоят из трех частично перекрывающихся створок, которые открываются и закрываются при каждом ударе сердца. Они отвечают за контроль одностороннего кровотока через сердце; с каждым ударом они полностью открываются, позволяя крови течь вперед, а затем полностью закрываются, чтобы предотвратить ток крови назад.

Чтобы сделать клапаны, исследователи используют воздушные струи, которые направляют жидкий полимер на клапанообразный каркас, в результате чего получается бесшовная сеть из крошечных волокон. Клапаны спроектированы так, чтобы быть временными и регенеративными: они обеспечивают пористый каркас для клеток, которые могут проникать, наращиваться и в конечном итоге заменяться по мере биоразложения полимера.

«Клетки действуют в нанометровом масштабе, и 3D-печать не может достичь этого уровня, но сфокусированное вращательное вращение струи может поместить туда пространственные сигналы нанометрового масштаба, так что, когда клетки заползают на этот каркас, они чувствуют себя так, как будто они в сердечном клапане, а не в синтетическом каркасе», — говорит старший автор и биоинженер Кит Паркер из Гарвардского университета. «Здесь есть определенная хитрость».

Команда проверила прочность, эластичность и способность клапанов многократно открываться и закрываться с помощью дубликатора импульсов — машины, имитирующей сердцебиение.

«Нормальный сердечный клапан функционирует в течение миллиардов циклов на протяжении всей жизни, поэтому его постоянно растягивают, растягивают и стимулируют», — говорит Питерс. «Они должны быть очень эластичными и сохранять свою форму, несмотря на механические воздействия, а также быть достаточно прочными, чтобы выдерживать противодавление крови, пытающейся течь назад».

Они также вырастили сердечные клетки на клапанах, чтобы проверить биосовместимость и посмотреть, насколько хорошо клетки могут проникать в каркасы. «Клапаны находятся в непосредственном контакте с кровью, поэтому нам необходимо убедиться, что материал не вызывает тромбоза или закупорки кровеносных сосудов», — говорит биофизик Сара Мотта, другой первый автор исследования, работающая в Гарвардском университете и Университете Гарварда. из Цюриха.

Наконец, исследователи проверили непосредственную функциональность клапанов на овцах, которые являются хорошей моделью животного по нескольким причинам: физические силы внутри сердца овцы и человека схожи, а сердца овцы также представляют собой «экстремальную» среду для сердечных клапанов из-за овечьего сердца. ускоренный метаболизм кальция, что представляет собой повышенный риск развития отложений кальция, частого осложнения у реципиентов сердечного клапана.

Хирурги имплантировали клапаны двум овцам и в течение часа контролировали их положение и функционирование с помощью ультразвука. Оба клапана успешно имплантировались и сразу же заработали, но у одной овцы через несколько минут сместился клапан — исследователи полагают, что это произошло из-за того, что он был неподходящего размера для животного. У второй овцы клапан показал хорошую функциональность в течение часа, а патологоанатомический анализ показал, что не было никаких осложнений в виде разрывов или образования тромбов и что клетки уже начали проникать и прилипать к клапану.