Hao Liu po raz pierwszy zetknął się z wytwarzaniem tkanki biologicznej na szalce do hodowli komórkowej w Japonii podczas studiów magisterskich na Uniwersytecie w Osace. Pracował nad projektem, w którym wykorzystywał drukarkę 3D do hodowli mięsa z bydła Wagyu. Wołowina Wagyu jest uważana za jedno z najdelikatniejszych, najbardziej soczystych i najdroższych mięs na świecie. Naukowcy próbowali więc odtworzyć ją w laboratorium. Po magisterce badacz przeniósł się do Zurychu, gdzie ukończył doktorat w 2024 r. Zdobył także stypendium ETH Pioneer Fellowship, w ramach którego opracowuje urządzenia do produkcji tkanek o strukturze mikrofilamentów. Takie mikrostruktury znajdują się w całym naszym ciele. Komórki w mięśniach, ścięgnach, tkance łącznej i układzie nerwowym nie są ułożone losowo, ale według wyraźnych wzorców. Zapewniają one tkance zarówno stabilność, jak i elastyczność oraz pomagają jej w wykonywaniu różnych funkcji. Na przykład komórki i włókna tkanki mięśniowej są ułożone w taki sposób, aby mięśnie mogły się kurczyć. W ścięgnach, które łączą mięśnie z kośćmi, komórki muszą być tak zorganizowane, aby ścięgna mogły wytrzymać ogromne siły rozciągające. Tkanka nerwowa również musi być wyrównana, żeby sygnały mogły być przekazywane między komórkami.

Gdy naukowcy wytwarzają takie tkanki w laboratorium, muszą odtworzyć ich ułożenie. W wielu przypadkach osiąga się to poprzez wytworzenie sztucznego, ale biokompatybilnego rusztowania 3D z wyrównanymi mikrostrukturami. Następnie hodowane są komórki na i w tym rusztowaniu, tworząc doskonale ustrukturyzowaną tkankę. W przyszłości może to zostać wykorzystane jako materiał zastępczy w chirurgii, np. przy regeneracji nerwów obwodowych po poważnych urazach. Ponadto takie konstrukty tkankowe mogą być wykorzystywane do badań nad chorobami i testowania leków jako modele tkankowe in vitro, ograniczając w ten sposób testy na zwierzętach. Mogą też być używane do produkcji mięsa hodowlanego w laboratorium, tak jak zrobił to Liu w Japonii. W ETH to ciężka praca Liu i odrobina szczęścia doprowadziły do odkrycia nowej metody produkcji rusztowania tkankowego z wysoce wyrównanymi i niezwykle cienkimi włóknami. Oparł się on na dobrze znanym procesie i wykorzystał chemicznie zmodyfikowaną żelatynę, która reaguje na światło. Żelatyna zaczyna jako ciecz. – Tam, gdzie naświetlamy ją laserem, zestala się w hydrożel. Tam, gdzie laser nie dociera, żelatyna pozostaje płynna – wyjaśnia Liu. Ukierunkowane zastosowanie lasera może wytwarzać spersonalizowane trójwymiarowe struktury hydrożelowe.

Naukowiec stworzył w hydrożelu mikrofilamenty o średnicy podobnej do włókien występujących w wielu tkankach organizmu. Następnie hodował komórki w hydrożelowym rusztowaniu w celu wytworzenia wyrównanych konstrukcji tkankowych. Liu zaczął studiować literaturę z zakresu fizyki i zdał sobie sprawę, że dobrze znane zjawisko optyczne tworzyło mikrofilamenty w jego rusztowaniach hydrożelowych. Światło w wiązce laserowej nie jest jednakowo intensywne na całej jej długości. Analiza przekroju wiązki laserowej z mikroskopijną rozdzielczością ujawnia, że intensywność światła przypomina wzór punktowy – w niektórych miejscach jest ona bardzo wysoka, a w innych dość niska. Jeśli materiał światłoczuły zostanie zestalony wiązką lasera, nie twardnieje równomiernie, ale zamiast tego powstaje konstrukcja równoległych struktur żelowych przypominających nici. Pomiędzy tymi żelowymi włóknami znajdują się przestrzenie przypominające kanały. Zarówno włókna, jak i kanały mają średnicę od około 2 do 20 mikrometrów. Jeśli komórki zostaną zamknięte w tym hydrożelowym rusztowaniu mogą rosnąć w kanałach. Rezultatem jest wyrównana konstrukcja tkankowa, która jest bardzo podobna do naturalnej struktury wielu tkanek ciała. – Zjawisko optyczne, które tworzy mikrostruktury włókien w żelu, jest od dawna znane fizykom i materiałoznawcom, ale nie było jeszcze wykorzystywane w biologii. Jesteśmy pierwsi – mówi z dumą Liu.

Wraz ze studentami wzornictwa przemysłowego z Uniwersytetu Sztuk Pięknych w Zurychu zespół Liu ukończył projekt prototypowej drukarki do produkcji takich hydrożelowych rusztowań dla wyrównanych tkanek. Z pomocą Pioneer Fellowship Liu chce teraz wprowadzić na rynek kompaktową biodrukarkę. – W pierwszej kolejności chcemy udostępnić technologię i drukarkę innym naukowcom, aby oni również mogli produkować takie wyrównane tkanki i wykorzystywać je w swoich badaniach. Kilka laboratoriów już wyraziło zainteresowanie – wskazuje Liu. Jednocześnie chce opracować różne modele tkanek, takie jak tkanka mięśniowa lub ścięgna. – Naszym celem jest stworzenie modeli ludzkich tkanek do wysokowydajnych badań przesiewowych leków i innych zastosowań – ujawnia. W rezultacie widzi on przyszły potencjał biznesowy nie tylko w sprzedaży urządzenia, ale także w rozwoju i sprzedaży tkanek do badań i medycyny. Dzięki tej technologii laboratorium Liu udało się już wyprodukować konstrukcje tkanek mięśni, ścięgien, nerwów i chrząstek. Technologia została opatentowana przez ETH Zurich. – Można sobie nawet wyobrazić, że w przyszłości może ona zostać wykorzystana do produkcji przewodów nerwowych, które mogą być przeszczepiane pacjentom cierpiącym na urazy nerwów – kończy Liu.