Un equipo de investigación de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia cree que podría ser la primera plantilla básica para órganos compatibles con humanos impresa bajo demanda.
Liheng Kai, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química, y su Ph.D. El estudiante Xinchang Zhu ha creado biomateriales con propiedades mecánicas controladas que se adaptan a diferentes tejidos humanos.
“Este es un gran salto en comparación con las tecnologías de bioimpresión existentes”, afirmó Zhu.
Publicaron los resultados el 13 de julio. Comunicarse con la naturaleza.
Su método único de bioimpresión se llama ensamblaje digital de partículas esféricas. La técnica DASP deposita partículas de material orgánico sobre una matriz de soporte, ambas de base acuosa, para crear estructuras 3D que proporcionan un entorno adecuado para el crecimiento celular. El proceso de ensamblaje es cómo los “voxels”, las versiones 3D de píxeles, crean objetos 3D.
“Nuestras nuevas partículas de hidrogel representan los primeros vóxeles funcionales que hemos creado”, dijo Zhu. “Con un control preciso sobre las propiedades mecánicas, estos vóxeles pueden servir como uno de los componentes fundamentales para nuestras futuras construcciones de impresión.
“Por ejemplo, con este nivel de control, podemos imprimir organoides, que son modelos 3D basados en células que actúan como tejidos humanos, para estudiar la progresión de enfermedades en busca de curas”.
Robusto y compatible con celulares
Las partículas son hidrogeles poliméricos diseñados para imitar el tejido humano modificando la disposición y los enlaces químicos de los monómeros de una sola molécula, que se combinan en cadenas para formar redes.
Encerradas en partículas hay células humanas reales.
En comparación con otras biotintas de hidrogel, Kai y Zhu son menos tóxicas y más biocompatibles para las células, afirman. Sus hidrogeles de “doble red”, formados a partir de dos redes moleculares interconectadas, son mecánicamente fuertes, pero altamente sintonizables para imitar las propiedades físicas del tejido humano.
Cai y Zhu describieron por primera vez su tecnología DASP en 2021 Materiales funcionales avanzados. Este trabajo demostró el concepto de utilizar vóxeles de biomaterial como bloques de construcción y, mediante experimentos de laboratorio, demostró un material impreso con DASP que actúa como un páncreas con liberación de insulina estimulada por la glucosa.
Pero DASP 1.0 sólo puede imprimir hidrogeles frágiles con capacidad de ajuste limitada. En su último artículo en Nature Communications, Cai y Zhu presentan DASP 2.0, que introduce una biotinta de hidrogel de doble red formada mediante una “química de clic” para entrecruzar o unir rápidamente estructuras moleculares.
La impresora adecuada para el trabajo
Parte de lo que permitió este progreso fueron las mejoras en la bioimpresora del equipo. Diseñaron una boquilla multicanal para mezclar el material de hidrogel según demanda. La premezcla no es posible porque la reticulación se produce muy rápidamente, pasando de una gota de líquido a un gel elástico hinchable en agua en 60 segundos.
En estudios anteriores, el equipo determinó que la formación de gotas y el rápido desprendimiento de la punta son esenciales para imitar las propiedades mecánicas (como la elasticidad o la rigidez) del tejido humano objetivo.
DASP logra esto depositando gotas grandes desde una boquilla estrecha y de movimiento rápido en la matriz, suspendiendolas inmediatamente.
“La manipulación precisa de vóxeles viscoelásticos representa un desafío tecnológico y fundamental tanto en la ciencia de los materiales blandos como en la bioimpresión 3D”, dijo Cai en 2022, cuando publicaron su segundo artículo en DASP.
“Hemos sentado las bases para la bioimpresión voxelada”, afirmó. “Cuando se realice por completo, las aplicaciones del DASP incluirán el trasplante de órganos protésicos, el modelado de enfermedades y tejidos, y la detección de candidatos para nuevos fármacos. Y probablemente no se detendrá ahí”.
La financiación para esta investigación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Plataforma de Lanzamiento para la Diabetes de la UVA, el Centro Coulter de Investigación Traslacional de la UVA, la Fundación de Investigación de la Diabetes Juvenil, la Junta de Investigación de Salud de la Commonwealth de Virginia y el Centro de Biofabricación Avanzada de la UVA.