Чтобы понять, как лекарства перемещаются, перерабатываются и усваиваются в разных тканях, учёным нужны тонкие сосудистые сети. Один из лучших способов — формировать такие сосуды прямо внутри гидрогелей. Эти материалы проницаемы, как настоящие ткани, и одновременно подходят для поддержания живых клеток. Если в гидрогеле создать крошечные каналы, можно направить рост структур, напоминающих кровеносные сосуды. В эти каналы заселяют эндотелиальные клетки — те же, что выстилают сосуды в организме. В результате получается модель, максимально приближенная к настоящей сосудистой системе как по строению, так и по функциям.

Главной проблемой была геометрия — сложно точно контролировать форму и размер этих мельчайших сосудистых сетей. В подходах, где сосуды формируются сами по себе, их строение сильно варьируется от образца к образцу. Из-за этого невозможно проводить одинаковые и контролируемые эксперименты, а это крайне важно для надежных исследований в медицине и биологии.

Поэтому ученые применили лазерные технологии. С помощью сверхкоротких лазерных импульсов в фемтосекундном диапазоне они быстро и с высокой точностью создали трехмерные микроканалы в гидрогелях на расстоянии всего в сто микрометров, что имитирует естественную плотность сосудов в органах.

Важно не только точно сформировать сосуды, но и сделать их прочными — чтобы они сохраняли форму после заселения живыми клетками. Дело в том, что клетки активно меняют свое окружение. Это может привести к деформации или даже разрушению искусственных сосудов. Чтобы избежать таких проблем, ученые изменили подход к подготовке материала. Вместо привычного одноэтапного способа они применили двухэтапное нагревание: гидрогель нагревали дважды, но при разных температурах. Это усилило структуру материала.

В результате сосуды, созданные в таком гидрогеле, устойчиво сохраняли свою форму. На формирование 30 каналов ушло всего 10 минут — в 60 раз быстрее, чем при использовании других технологий.

Чтобы моделировать биологические процессы на чипе реалистично, искусственные ткани должны вести себя как настоящие. Эксперименты показали, что эндотелиальные клетки в искусственных кровеносных сосудах реагируют так же, как и живые в организме. Например, при воспалении они становятся более проницаемыми.

Ученые разработали модель фрагмента печени на чипе с контролируемой трехмерной сосудистой сетью, точно имитирующей кровеносную систему реального органа. Создание многослойных микрососудов, пронизывающих ткань, обеспечило достаточное питание и кислород и улучшило работу модели печени. Это важный шаг к тому, чтобы технология стала стандартным инструментом в медицинских исследованиях.