El crecimiento del tejido y el comportamiento de las células pueden controlarse e investigarse particularmente bien incrustando las células en un delicado marco tridimensional. Esto se logra utilizando métodos de impresión aditiva en 3D, las denominadas técnicas de "bioimpresión". Sin embargo, esto implica una serie de desafíos:algunos métodos son muy imprecisos o solo permiten un período de tiempo muy corto en el que las células pueden procesarse sin dañarse. Además, Los materiales utilizados deben ser aptos para las células durante y después del proceso de bioprit 3-D. Esto restringe la variedad de materiales posibles.

En TU Wien (Viena) se ha desarrollado un proceso de bioimpresión de alta resolución con materiales completamente nuevos:gracias a una "tinta biológica" especial para la impresora 3-D, Las celdas ahora se pueden incrustar en una matriz 3D impresa con precisión micrométrica, a una velocidad de impresión de un metro por segundo, órdenes de magnitud más rápido de lo que era posible anteriormente.

El medio ambiente importa

"El comportamiento de una célula depende fundamentalmente de la mecánica, propiedades químicas y geométricas de su entorno, "dice el profesor Aleksandr Ovsianikov, Jefe del grupo de investigación de Impresión 3D y Biofabricación en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales (TU Wien). “Las estructuras en las que están incrustadas las células deben ser permeables a los nutrientes para que las células puedan sobrevivir y multiplicarse. Pero también es importante si las estructuras son rígidas o flexibles, si son estables o se degradan con el tiempo ".

Es posible producir primero estructuras adecuadas y luego colonizarlas con células vivas, pero este enfoque puede dificultar la colocación de las células en el interior del andamio. y es casi imposible lograr una distribución celular homogénea de esa manera. La opción mucho mejor es incrustar las células vivas directamente en la estructura 3-D durante la producción de la estructura; esta técnica se conoce como "bioimpresión".

La impresión de objetos tridimensionales microscópicamente finos ya no es un problema en la actualidad. Sin embargo, el uso de células vivas presenta a la ciencia desafíos completamente nuevos:"Hasta ahora, simplemente ha habido una falta de sustancias químicas adecuadas, ", dice Aleksandr Ovsianikov." Necesita líquidos o geles que solidifiquen precisamente donde los ilumina con un rayo láser enfocado. Sin embargo, estos materiales no deben ser dañinos para las células, y todo el proceso tiene que suceder extremadamente rápido ".

Dos fotones a la vez

Para lograr una resolución extremadamente alta, Los métodos de polimerización de dos fotones se han utilizado en TU Wien durante años. Este método utiliza una reacción química que solo se inicia cuando una molécula del material absorbe simultáneamente dos fotones del rayo láser. Esto solo es posible cuando el rayo láser tiene una intensidad particularmente alta. En estos puntos la sustancia se endurece, mientras permanece líquido en todas partes. Por lo tanto, este método de dos fotones es el más adecuado para producir estructuras extremadamente finas con alta precisión.

Sin embargo, estas técnicas de alta resolución suelen tener la desventaja de ser muy lentas, a menudo en el rango de micrómetros o unos pocos milímetros por segundo. En TU Wien, sin embargo, Los materiales compatibles con las células se pueden procesar a una velocidad de más de un metro por segundo, un paso adelante decisivo. Solo si todo el proceso se puede completar en unas pocas horas, hay una buena posibilidad de que las células sobrevivan y se desarrollen aún más.

Numerosas opciones nuevas

"Nuestro método ofrece muchas posibilidades para adaptar el entorno de las células, "dice Aleksandr Ovsianikov. Dependiendo de cómo se construya la estructura, se puede hacer más rígido o más suave. Incluso bien son posibles gradientes continuos. De este modo, Es posible definir exactamente cómo debe verse la estructura para permitir el tipo deseado de crecimiento celular y migración celular. La intensidad del láser también se puede utilizar para determinar la facilidad con la que se degradará la estructura con el tiempo.

Ovsianikov está convencido de que este es un importante paso adelante para la investigación celular:"El uso de estos andamios 3-D, es posible investigar el comportamiento de las células con una precisión previamente inalcanzable. Es posible estudiar la propagación de enfermedades, y si se utilizan células madre, incluso es posible producir tejido a medida de esta manera ".

El proyecto de investigación es una cooperación internacional e interdisciplinaria en la que participaron tres institutos diferentes de la TU de Viena:el grupo de investigación de Ovsianikov fue responsable de la tecnología de impresión en sí, el Instituto de Química Sintética Aplicada desarrolló fotoiniciadores rápidos y amigables con las células (las sustancias que inician el proceso de endurecimiento cuando se iluminan) y el Instituto de Estructuras Ligeras y Biomecánica Estructural analizó las propiedades mecánicas de las estructuras impresas.