Миниатюрный биопринтер восстановил поврежденные голосовые связки в моделях ex vivo

Нарушения голоса затрагивают от 3 до 9% населения мира и серьезно снижают качество общения. Самый распространенный метод лечения — это хирургическое удаление поражений, таких как полипы или раковые опухоли. Однако после таких операций часто возникает осложнение — постоперационный фиброз. Он развивается у 5–18% пациентов, увеличивает жесткость голосовых связок (складок) и нарушает нормальное голосообразование. Эта жесткость приводит к снижению качества голоса, а иногда требует дополнительного лечения.

В настоящее время для предотвращения фиброза применяют инъекции гидрогелей в собственную пластинку (lamina propria) слизистой оболочки голосовых складок. Гидрогель, который со временем деградирует, создает структурную сеть, имитирующую механические свойства голосовых связок и способствующую регенерации здоровой ткани. Однако существующие методы введения не обеспечивают необходимого пространственного контроля. Недостаток точности снижает терапевтическую эффективность и оставляет пациента под угрозой развития постоперационного фиброза.

Для решения этой проблемы ученые из Канады разработали метод биопечати для восстановления тканей голосовых складок in situ (непосредственно в целевой ткани). Они задались целью создать устройство, которое бы обеспечивало точный контроль положения и экструзии гидрогеля, позволяя восстановить естественную геометрию голосовых складок при различных формах и размерах поражений.

Роботизированный биопринтер для восстановления голосовых складок (Minimally Invasive In Situ Bioprinter, MIISB). спроектировали так, чтобы он был полностью совместим с процедурой подвесной ларингоскопии — стандартным методом микроларингеальной хирургии.

Устройство снабжено мягкой эндоскопической печатающей головкой диаметром всего 2,7 мм. Это критически важно, так как стандартный рабочий канал ларингоскопа составляет 10,5–13,5 мм. Благодаря размерам устройство не препятствует прямой визуализации голосовых складок хирургический микроскоп, а общая длина конструкции — 300 мм — сравнима со стандартным хирургическим оборудованием.

Печатающая головка приводится в движение с помощью трех приводных кабелей, натяжение которых позволяет контролировать положение сопла.

Позиционирование сопла и экструзия гидрогеля управляются хирургом в режиме реального времени — это осуществляется вручную с помощью беспроводного контроллера. Для такого контроля авторы разработали модель, которая переводит целевые координаты в необходимые параметры настройки кабелей. В предполагаемом клиническом сценарии после удаления патологии и снижения острого воспаления хирург фиксирует ларингоскоп. Затем он направляет печатающую головку MIISB к целевому участку и аккуратно наносит гидрогель, восстанавливая контуры голосовой складки, после чего безопасно извлекает устройство. При работе с подслизистыми поражениями может быть выполнена процедура микролоскута для облегчения доступа к месту нанесения.

Исследователи тщательно охарактеризовали работу устройства и его способность работать с биоматериалами. Позиционирование сопла оценивали с помощью оптической системы отслеживания положения (метод DLT). Роботизированный принтер продемонстрировал высокую точность, средняя ошибка в пределах 20-миллиметровой рабочей зоны составила 1,33 мм. Также подтвердились высокая повторяемость движения (максимальное отклонение при воспроизведении паттерна составило менее 0,25 мм) и низкий позиционный дрейф. В качестве биочернил авторы выбрали DAHA/SF (сшитая с дофамином гиалуроновая кислота с фиброином шелка) — гидрогель, который сами ранее разработали специально для восстановления голосовых складок. Этот материал обладает пористой, самовосстанавливающейся структурой и механическими свойствами, сходными со свойствами голосовых складок, что критически важно для регенерации.

Также исследователи оптимизировали давление подачи гидрогеля. Наилучшее разрешение печати, то есть минимальная постоянная ширина линии, составило 1,2 мм и было достигнуто при давлении 262 кПа и 1,5% концентрации DAHA/SF. 

Функциональность MIISB подтвердили на хирургических моделях ex vivo (вне живого организма), имитирующих стандартные патологии голосовых складок. Модели поражений включали борозду (продольная канавка в поверхностной собственной пластинке), объемное поражение (полость после удаления образования) и полное удаление голосовой складки. Используя ручное управление в симулированной хирургической среде, исследователи успешно восстановили геометрию тела голосовой складки во всех моделях. Эти результаты подтвердили способность MIISB точно контролировать место и распределение наносимого гидрогеля.

Работа доказывает осуществимость минимально инвазивной биопечати in situ для восстановления голосовых складок. MIISB позволяет точно контролировать местоположение и пространственное распределение гидрогеля, преодолевая основные ограничения традиционных инъекционных методов.

Хотя MIISB продемонстрировал многообещающие результаты ex vivo, для полной оценки его эффективности и безопасности необходимы дальнейшие исследования на животных. Авторы также предполагают, что разработанную ими технологию можно адаптировать для восстановления других мягких тканей, требующих точной и минимально инвазивной доставки биоматериалов.

Искусственный центр окостенения позволил зарастить крупные повреждения черепа у крыс