Un nuevo método permite la monitorización no invasiva del metabolismo del oxígeno en células que están bioimpresas en 3-D en estructuras vivas complejas. Esto podría contribuir a los estudios del crecimiento celular y las interacciones en condiciones similares a las de los tejidos, así como para el diseño de construcciones impresas en 3D que facilitan una mayor productividad de microalgas en biopelículas o un mejor suministro de oxígeno para las células madre utilizadas en los esfuerzos de reconstrucción ósea y tisular.

Un equipo internacional de investigadores dirigido por el profesor Michael Kühl en el Departamento de Biología, Universidad de Copenhague, acaba de publicar un gran avance en la bioimpresión 3D. Junto con colegas alemanes de la Universidad Técnica de Dresde, El grupo del profesor Kühl implementó nanopartículas sensibles al oxígeno en un material de gel que se puede utilizar para la impresión 3D de complejos, biofilm y estructuras similares a tejidos que albergan células vivas, así como sensores químicos incorporados. El trabajo acaba de ser publicado en Materiales funcionales avanzados .

Kühl explica:"La impresión 3D es una técnica muy extendida para producir objetos de plástico, metal y otros materiales abióticos. Igualmente, Las células vivas pueden imprimirse en 3D en materiales de gel biocompatibles (bioenlaces) y dicha bioimpresión en 3D es un campo en rápido desarrollo. p.ej. en estudios biomédicos, donde las células madre se cultivan en construcciones impresas en 3D que imitan la estructura compleja de tejidos y huesos. Tales intentos carecen de seguimiento en línea de la actividad metabólica de las células que crecen en construcciones bioimpresas; en la actualidad, tales mediciones se basan en gran medida en muestreos destructivos. Hemos desarrollado una solución pendiente de patente para este problema ".

El grupo desarrolló un bioenlace funcionalizado mediante la implementación de nanopartículas luminiscentes sensibles al oxígeno en la matriz de impresión. Cuando la luz azul excita las nanopartículas, emiten luz luminiscente roja en proporción a la concentración de oxígeno local:cuanto más oxígeno, la luminiscencia menos roja. La distribución de la luminiscencia roja y, por lo tanto, del oxígeno a través de las estructuras vivas bioimpresas se puede obtener imágenes con un sistema de cámara. Esto permite en línea, Monitoreo no invasivo de la distribución y dinámica de oxígeno que se puede mapear al crecimiento y distribución de células en las construcciones bioimpresas en 3-D sin la necesidad de un muestreo destructivo.

Kühl dice:"Es importante que la adición de nanopartículas no cambie las propiedades mecánicas del bioink, p.ej. para evitar el estrés celular y la muerte durante el proceso de impresión. Es más, las nanopartículas no deben inhibir ni interferir con las células. Hemos resuelto estos desafíos, ya que nuestro método muestra una buena biocompatibilidad y se puede utilizar con microalgas así como con líneas celulares humanas sensibles ".

El estudio publicado recientemente demuestra cómo los bioenlaces funcionalizados con nanopartículas de sensor se pueden calibrar y utilizar, p.ej., para monitorear la fotosíntesis y la respiración de las algas, así como la respiración de células madre en estructuras bioimpresas con uno o varios tipos de células.

"Este es un gran avance en la bioimpresión tridimensional. Ahora es posible monitorear el metabolismo del oxígeno y el microambiente de las células en línea, y de forma no invasiva en estructuras vivas impresas en 3D intactas, ", dice el profesor Kühl." Un desafío clave en el crecimiento de células madre en estructuras más grandes de tejidos o huesos es garantizar un suministro de oxígeno suficiente para las células. Con nuestro desarrollo, ahora es posible visualizar las condiciones del oxígeno en estructuras bioimpresas en 3-D, que p. ej. permite realizar pruebas rápidas y optimizar el crecimiento de células madre en construcciones diseñadas de manera diferente ".

El equipo está interesado en explorar nuevas colaboraciones y aplicaciones de sus desarrollos. Kühl dice:"La bioimpresión 3-D con bioenlaces funcionalizados es una nueva y poderosa tecnología que se puede aplicar en muchos otros campos de investigación además de la biomedicina. Es extremadamente inspirador combinar materiales tan avanzados, ciencia y tecnología de sensores con mi investigación en microbiología y biofotónica, donde actualmente empleamos la bioimpresión 3-D para estudiar las interacciones microbianas y la fotobiología ".