Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) ha encontrado una forma de utilizar polen de girasol para desarrollar un material de tinta de impresión 3D que podría utilizarse para fabricar piezas útiles para la ingeniería de tejidos. pruebas de toxicidad y administración de fármacos.

Esta tinta derivada del polen es capaz de mantener su forma cuando se deposita sobre una superficie, convirtiéndola en una alternativa viable a las tintas actuales utilizadas para la impresión 3D en el campo biomédico (también conocida como bioimpresión). Estas tintas suelen ser suaves y delicadas, por lo que es un desafío retener la forma y estructura 3D deseadas del producto final mientras la bioimpresora deposita la tinta capa por capa.

Para ilustrar la funcionalidad de su tinta de impresión 3D a base de polen, Los científicos de la NTU Singapur imprimieron un 'andamio' de tejido biológico que, en estudios de laboratorio, demostró ser adecuado para la adhesión y el crecimiento celular. que son esenciales para la regeneración de tejidos.

Este nuevo uso del polen, descrito en un artículo científico que fue la portada de una revista científica Materiales funcionales avanzados, destaca su potencial como material alternativo sostenible a las tintas de bioimpresión actuales, dijo el equipo de investigación.

El coautor principal del estudio, el profesor Cho Nam-Joon de la Escuela de Ciencias e Ingeniería de Materiales de la NTU, dijo:"La bioimpresión puede ser un desafío porque el material de las tintas utilizadas suele ser demasiado blando, lo que significa que la estructura del producto previsto puede colapsar durante la impresión. Mediante el ajuste de las propiedades mecánicas del polen de girasol, Desarrollamos una tinta híbrida a base de polen que se puede utilizar para imprimir estructuras con buena integridad estructural. La utilización de polen para la impresión 3D es un logro importante, ya que el proceso de fabricación de la tinta a base de polen es sostenible y asequible. Dado que existen numerosos tipos de especies de polen con distintos tamaños, formas y propiedades superficiales, las suspensiones de microgel de polen podrían potencialmente usarse para crear una nueva clase de materiales de impresión 3D ecológicos ".

El coautor principal del estudio, el profesor asistente Song Juha de la Escuela de Ingeniería Química y Biomédica de la NTU, dijo:"Nuestros hallazgos podrían abrir nuevas puertas a membranas flexibles personalizadas que se ajustan exactamente a los contornos de la piel humana, como parches para vendajes para heridas o mascarillas faciales. Estas membranas blandas y flexibles se fabrican generalmente sobre la base de geometría plana, lo que resulta en problemas tales como fracturas en las capas o un mal ajuste cuando se aplica en grandes áreas superficiales de la piel, como la cara o áreas que ven movimientos frecuentes como las articulaciones. Usando nuestra tinta de impresión 3D a base de polen, que es biocompatible, flexible, y de bajo costo, podemos fabricar membranas que se adaptan a los contornos de la piel humana y son capaces de doblarse sin romperse ".

El equipo de investigación también incluye al profesor asistente Jang Taesik de la Universidad de Chosun en Corea del Sur.

Profesor Paul S. Weiss, Profesor distinguido de química y bioquímica, Bioingeniería y de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de California, Los Angeles, que no participó en el estudio, dijo que "el polen es un bionanomaterial fascinante y sostenible con una gran variedad de usos. Song, Cho, y sus equipos ahora lo han agregado al arsenal de lo que se puede estructurar a escalas más grandes a través de la fabricación aditiva, Impresión 3d, incorporándolo a una tinta ".

Dr. Jeffrey S. Glenn, Director del Centro de Ingeniería de Tejidos Hepáticos y Hepatitis en Stanford Medicine, que no participó en el estudio, agregó que "este es un artículo muy emocionante que muestra la capacidad de imprimir en 3D estructuras personalizadas para la fabricación y la entrega de medicamentos con un barato, y material no tóxico ".

Cómo se desarrolla la tinta híbrida a base de polen

El método de bioimpresión más utilizado en la actualidad es la bioimpresión basada en extrusión, en el que las tintas se dispensan continuamente desde boquillas y se depositan a lo largo de trayectorias definidas digitalmente para fabricar estructuras 3D capa por capa.

Uno de los desafíos de este método es la dificultad para retener las estructuras y formas 3D de materiales suaves y delicados como los hidrogeles, células, y biopolímeros sin soporte adicional. Una estructura llamada matriz de soporte, dentro del cual se deposita la tinta blanda durante el proceso de impresión, se utiliza normalmente. Sin embargo, esto crea desperdicio ya que la matriz de soporte se vuelve inutilizable después de la impresión.

El profesor asistente Song dijo:"Los esfuerzos de investigación anteriores se centraron en el desarrollo de bioenlaces especiales para una deposición e impresión eficientes mediante la mezcla de hidrogeles con fibras o partículas. El principal inconveniente de estas tintas compuestas de hidrogel es la obstrucción de las boquillas, que es un problema más importante en tintas con un mayor contenido de tales fibras o partículas. La tinta híbrida a base de polen que hemos desarrollado, a diferencia de, es mecánicamente lo suficientemente fuerte como para retener su estructura sin atascar la impresora ".

El proceso de desarrollo de la tinta híbrida a base de polen comienza con la incubación de polen de girasol resistente en una solución alcalina, un proceso ecológico similar a la fabricación de jabón, durante seis horas para formar partículas de microgel de polen.

A continuación, el microgel de polen se mezcla con hidrogeles como el alginato, un polímero de origen natural que se obtiene típicamente de algas pardas, o ácido hialurónico, una limpieza, sustancia pegajosa producida naturalmente por el cuerpo, para formar la tinta híbrida de polen-hidrogel final.

Andamio a base de polen para cultivo celular y administración de fármacos

Como prueba de concepto, los científicos imprimieron un andamio de ingeniería de tejidos de cinco capas, útil para cultivar células, en 12 minutos. Luego se agregó colágeno al andamio para proporcionar puntos de anclaje a los que las células puedan adherirse y crecer.

Luego, los científicos sembraron células humanas en el andamio y descubrieron que tenía una alta eficiencia de siembra de células del 96 al 97 por ciento. Este es un rendimiento comparable al de los hidrogeles de cristal coloidal invertido (ICC) que se utilizan ampliamente como plataformas de cultivo de células 3D, pero que requieren mucho tiempo y son laboriosos de fabricar.

Dado que el polen responde a los cambios de pH, cuando un ambiente se vuelve ácido o alcalino, el equipo de NTU también probó la viabilidad del andamio 3D como un sistema de administración de fármacos que responde a estímulos. Cuando se goteó un tinte rojo fluorescente sobre el andamio, Los científicos descubrieron que las partículas de microgel de polen liberaban el tinte en el andamio gradualmente. La cantidad y la velocidad de liberación aumentaron con la adición de un ácido. Esto muestra que existe la posibilidad de que el andamio de polen se utilice como un sistema de administración de fármacos con liberación controlada, dijeron los científicos. El profesor Cho dijo:"Las partículas de microgel de polen tienen una estructura de cáscara hueca, lo que significa que potencialmente podrían usarse para transportar drogas, células, o biomoléculas en plataformas de administración de fármacos con estructuras 3D personalizadas. Ahora estamos viendo cómo podemos usar estos andamios de microgel de polen para plataformas de cultivo celular 3D en diversas aplicaciones biomédicas.

"También existe la posibilidad de que el andamio a base de polen se utilice como un portador de fármacos inteligente, dada la naturaleza sensible al estímulo del polen. Por ejemplo, podemos ralentizar aún más la liberación de fármacos recubriendo el andamio a base de polen con una fina capa de alginato, y estimular la liberación mediante la introducción de un ácido ".

Estructura de soporte a base de polen para tintas blandas de impresión 3D

Los científicos también encontraron que las partículas de microgel de polen suaves y flexibles, derivado de granos de polen duros, potencialmente podría servir como una matriz de soporte reciclable, para su uso en impresión 3D de forma libre, en el que se deposita tinta blanda. La matriz de soporte evita el colapso de la estructura impresa a medida que se cura la tinta.

Para probar la viabilidad de su enfoque, Los científicos fabricaron una malla de caucho de silicona impresa en 3D para el codo utilizando microgel de polen como soporte que retendría la forma de la malla del codo mientras se imprime.

Después de curar el producto impreso a 75 ° C (167 ° F) durante 24 horas dentro del microgel de polen, Los científicos descubrieron que la malla de caucho de silicona impresa en 3D podría adaptarse a la curvatura del codo humano. También encontraron que las propiedades mecánicas de las muestras de caucho de silicona impresas y curadas en la matriz de soporte de microgel de polen eran similares a las de las muestras fabricadas mediante el método de fundición tradicional.

El uso de polen en el campo biomédico se basa en el trabajo del equipo de investigación de NTU sobre la reutilización de los granos de polen, un recurso natural renovable, en un bloque de construcción para varios materiales alternativos ecológicos, desde papel ecológico hasta esponjas biodegradables que pueden absorber los contaminantes del aceite.

Esta investigación está alineada con las ambiciones de investigación de NTU en su plan estratégico 2025 para traducir las invenciones y la creatividad en resultados que mejoren los beneficios económicos y la calidad de vida.

El equipo ahora busca colaborar con la industria para refinar su innovación de impresión 3D y avanzar en su aceptación comercial.