Вчені створили фотоініціатор на основі куркуміну для 3D-друку

Дослідники з Університету Криту та Фонду досліджень і технологій Еллади (FORTH/IESL) повідомили про одностадійну стратегію виготовлення біоактивних 3D-гідрогелевих каркасів з використанням куркуміну як багатофункціонального фотоініціатора в двофотонній полімеризації (2PP). У дослідженні, опублікованому як препринт минулого місяця, йдеться, що куркумін виконує дві ролі: він дозволяє використовувати 3D-друк з високою роздільною здатністю, одночасно надаючи антибактеріальних властивостей під час виготовлення, усуваючи необхідність модифікації після друку.

2PP широко використовується для виготовлення мікромасштабних каркасів у тканинній інженерії. Однак його ширше впровадження в гідрогелевих системах було обмежене відсутністю фотоініціаторів, які поєднують високу ефективність нелінійного поглинання з цитосумісністю. Традиційні ініціатори, такі як Irgacure 2959, демонструють низькі двофотонні поперечні перерізи поглинання при збудженні в ближньому інфрачервоному діапазоні, що вимагає вищої інтенсивності лазера, що збільшує ризик термічного пошкодження та знижує точність відтворення характеристик.

У представленій роботі куркумін, поліфенол природного походження з куркуми, був включений до 10% (мас./об.) формули GelMA. Вимірювання Z-сканування з відкритою апертурою показали, що суміш GelMA/куркуміну досягла двофотонного поперечного перерізу поглинання приблизно 1500 Гепперта-Маєра (GM) порівняно з приблизно 320 GM для самого куркуміну.

Дослідники пояснюють це посилення взаємодією між куркуміном та гідрофобними амінокислотними залишками в остові GelMA. Ці взаємодії сприяють локалізованій агрегації та сильнішому електронному зв'язку, збільшуючи нелінійне відкладення енергії в межах фокального вокселя під час друку.

Параметричні дослідження виготовлення виявили широке вікно обробки. Формула GelMA/куркумін підтримувала полімеризацію при інтенсивності лазера до 0,15 ТВт/см² зі швидкістю сканування до 52 мм/с. Для порівняння, формули GelMA, що містили Irgacure 2959, еозин Y або бенгальський рожевий, демонстрували вужчі вікна обробки та, в деяких випадках, термічне пошкодження при підвищеній інтенсивності.

Використовуючи багатофотонну літографію, команда створила квадратні решітки, гіроїдні та три періодично-мінімальні поверхні Шварца (TPMS), а також кісткоподібні решітки. Скануюча електронна мікроскопія підтвердила розміри пор від однозначних мікронів до понад 150 мкм, залежно від геометрії. Оптична мікроскопія гідратованих зразків показала, що архітектури каркасу залишаються стабільними після набухання.

Геометрії TPMS широко використовуються в регенеративній медицині завдяки своїй безперервній кривизні та високому співвідношенню поверхні до об'єму, що покращує дифузію поживних речовин та інфільтрацію клітин.

Біосумісність оцінювали за допомогою мезенхімальних стовбурових клітин (МСК). Хоча метаболічна активність спочатку знизилася на перший день, життєздатність відновилася до контрольного рівня до третього дня. СЕМ-візуалізація підтвердила клітинну адгезію, проліферацію та інфільтрацію в порах каркаса.

Окрім придатності для друку та цитосумісності, дослідження повідомляє про притаманні антибактеріальні властивості. Під впливом синього світлодіодного опромінення (~450 нм) плівки GelMA/куркумін досягли приблизно 99,9% зменшення кількості золотистого стафілокока та понад 90% зменшення кількості колоніє утворюючих одиниць Escherichia coli. Також спостерігався пасивний проти обростаючий ефект проти E. coli зі зниженою початковою бактеріальною адгезією порівняно з GelMA, надрукованим з використанням звичайних фотоініціаторів.

Антибактеріальний ефект пояснюється фото динамічною генерацією активних форм кисню куркуміном при світловій активації. Ефект був більш вираженим проти S. aureus, ймовірно, через відмінності в структурі бактеріальної мембрани, які дозволяють краще проникати активним формам кисню порівняно з E.coli.

Дослідження залишається на стадії перед друку та ще не пройшло експертну оцінку. Потрібна подальша робота для оцінки довгострокової стабільності, ефективності in vivo та масштабованості за межами мікромасштабної багатофотонної літографії.