En la búsqueda por desarrollar materiales realistas para reemplazar y reparar partes del cuerpo humano, los científicos enfrentan un desafío enorme: los tejidos reales suelen ser fuertes y elásticos y cambian de tamaño y forma.
Un equipo dirigido por CU Boulder en colaboración con investigadores de la Universidad de Pensilvania ha dado un paso importante para descifrar ese código. Desarrollaron una nueva forma de imprimir material en 3D que es a la vez lo suficientemente elástico como para soportar los latidos continuos del corazón, lo suficientemente resistente como para soportar las cargas aplastantes colocadas sobre las articulaciones y fácil de adaptar a las deformidades únicas del paciente.
Mejor aún, se adhiere fácilmente al tejido húmedo.
Su avance, descrito en la edición del 2 de agosto de la revista cienciaAyudar a allanar el camino hacia una nueva generación de biomateriales, desde vendajes internos que administran medicamentos directamente al corazón hasta parches de cartílago y suturas sin agujas.
“El tejido cardíaco y cartilaginoso son similares en el sentido de que tienen una capacidad muy limitada para repararse a sí mismos. Cuando se dañan, no hay recuperación”, dijo el autor principal Jason Burdick, profesor de ingeniería química y biológica en el Instituto BioFrontiers de CU Boulder. “Al desarrollar materiales nuevos y más resistentes para mejorar el proceso de reparación, podemos tener un gran impacto en los pacientes”.
Las ‘manchas’ de gusanos como inspiración
Históricamente, los dispositivos biomédicos se han fabricado mediante moldeo o fundición, técnicas que funcionan bien para la producción en masa de implantes idénticos pero que no son prácticas para personalizar esos implantes para pacientes específicos. En los últimos años, la impresión 3D ha abierto un mundo de nuevas posibilidades para aplicaciones médicas al permitir a los investigadores crear materiales con muchas formas y estructuras.
A diferencia de las impresoras convencionales, que ponen tinta sobre papel, las impresoras 3D depositan capa tras capa de plástico, metal o incluso células vivas para crear objetos multidimensionales.
Un material en particular, conocido como hidrogel (el material del que están hechas las lentes de contacto), es el candidato favorito para crear tejidos, órganos e implantes artificiales.
Pero llevarlos del laboratorio a la clínica ha sido difícil porque los hidrogeles tradicionales impresos en 3D se rompen cuando se estiran, se agrietan bajo presión o son demasiado rígidos para moldearse alrededor de los tejidos.
“Imagínese si tuviera un plástico duro adherido a su corazón. No se deformaría con los latidos del corazón”, dijo Burdick. “Simplemente se fracturará”.
Para lograr resistencia y elasticidad en los hidrogeles impresos en 3D, Burdick y sus colegas siguieron el ejemplo de los gusanos, que se enredan repetidamente entre sí en “manchas de gusanos” tridimensionales que tienen propiedades tanto sólidas como fluidas. Estudios anteriores han demostrado que la incorporación de cadenas de moléculas interconectadas de manera similar, conocida como “entrelazamiento”, puede hacerlas más difíciles.
Su nuevo método de impresión, conocido como CLEAR (por sus siglas en inglés, “Continuo-Cure After Light Exposure with Redox Initiation”), sigue varios pasos para atrapar moléculas largas dentro de materiales impresos en 3D, muy parecidos a esos gusanos entrelazados.
Cuando el equipo estiró y cargó esos materiales en el laboratorio (un investigador incluso corrió con una muestra en su bicicleta), descubrieron que eran exponencialmente más duros que los materiales impresos con un método estándar de impresión 3D conocido como procesamiento de luz digital (DLP). . Aún mejor: se adaptaron y adhirieron a tejidos y órganos animales.
“Ahora podemos imprimir en 3D materiales adhesivos que son lo suficientemente fuertes como para soportar mecánicamente el tejido”, dijo el coautor Matt Davidson, investigador asociado en el laboratorio de Burdick. “Nunca antes habíamos podido hacer eso”.
Cuidado revolucionario
Burdick imagina un día en el que estos materiales impresos en 3D puedan usarse para reparar defectos cardíacos, administrar medicamentos para la regeneración de tejidos directamente a los órganos o cartílagos, tapar discos abultados o incluso coser a las personas en el quirófano sin dañar el tejido como las agujas. .
Su laboratorio ha solicitado una patente provisional y planea comenzar pronto más investigaciones para comprender mejor cómo responden los tejidos a la presencia de dichos materiales.
Pero el equipo enfatiza que su nuevo enfoque podría tener implicaciones más allá de la medicina: en la investigación y la fabricación. Por ejemplo, su método elimina la necesidad de energía adicional para curar o endurecer las piezas, lo que hace que el proceso de impresión 3D sea más respetuoso con el medio ambiente.
“Este es un método de procesamiento 3D simple que las personas pueden usar eventualmente en sus propios laboratorios académicos, así como para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales para una variedad de aplicaciones en la industria”, dijo el primer autor Abhishek Dhand, investigador del laboratorio Burdick y Candidato a doctorado en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Pensilvania. “Esto resuelve un gran problema de la impresión 3D”.