Los científicos han combinado la tecnología de impresión láser 3D y un proceso de remojo alternativo para construir estructuras 3D complejas que imitan la microestructura ósea. Esta es la primera demostración de este método de fabricación y conducirá al desarrollo de sistemas de cultivo celular en 3D que pueden soportar injertos óseos o crear médula ósea artificial.
Su investigación se publica en la revista ACS Biomaterials Science &Engineering. y aparece en la portada del número publicado el 12 de febrero de 2024.
El hueso es un material híbrido compuesto por sustancias orgánicas e inorgánicas, principalmente fibras de colágeno y un mineral inorgánico llamado hidroxiapatita (HAp). Las fibras de colágeno mineralizado se ensamblan para formar una estructura jerárquica que proporciona una excelente resistencia mecánica y dureza al hueso cortical. El hueso cortical es la capa exterior fuerte de los huesos largos.
Las microestructuras de la médula ósea, llamadas nicho de médula ósea, funcionan como reguladores de las células madre hematopoyéticas. Estas son células primitivas que se convierten en todo tipo de células sanguíneas. Sin embargo, el mecanismo por el cual el nicho de la médula ósea mantiene las células madre hematopoyéticas aún no está claro.
El trasplante de células madre hematopoyéticas ofrece una posible estrategia para tratar la leucemia, el linfoma y las enfermedades inmunitarias. Pero a las células madre hematopoyéticas les resulta difícil expandirse fuera del cuerpo. Por lo tanto, crear un modelo de trasplante que imite el entorno de la médula ósea podría ser una solución a estos desafíos, permitiendo que las células madre hematopoyéticas se multipliquen in vitro y luego se trasplanten. Además, un modelo que imita el entorno de la médula ósea podría ayudar a aclarar el mecanismo de mantenimiento de las células madre hematopoyéticas en la médula ósea in vivo.
En investigaciones anteriores, los científicos habían desarrollado biomateriales basados en HAp que imitan la microestructura ósea. Utilizaron técnicas de microfabricación para crear modelos 3D con HAp, con el objetivo de construir una microestructura ósea que imite un entorno biológico. Los materiales recubiertos con HAp se han utilizado como sustitutos óseos in vivo para unir el hueso defectuoso mediante implantación. La investigación anterior ha demostrado que los materiales recubiertos con HAp pueden proporcionar un entorno que apoya la función celular y muestra una alta afinidad por el hueso.
Sin embargo, esta investigación anterior tenía limitaciones. "Ha sido difícil fabricar materiales compuestos orgánicos e inorgánicos en 3D con una estructura precisa mediante impresión láser en 3D", afirmó Kazutoshi Iijima, profesor asociado de la facultad de ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama.
La estereolitografía de escaneo láser, una tecnología de impresión 3D, puede producir modelos óseos de alta definición. El equipo eligió un método de fabricación que combina la estereolitografía de escaneo láser con un proceso de remojo alternativo. Con este método de fabricación, el equipo construyó modelos de hidrogel de tamaño micro de metacrilato de gelatina polimerizada, un polímero reticulable biocompatible que se utiliza en bioimpresión. Modificaron los modelos con HAp utilizando el proceso de remojo alternativo con una solución de iones de calcio y fosfato. Este estudio es la primera demostración de la modificación de HAp en modelos impresos en 3D con una estructura más compleja, utilizando el proceso de remojo alternativo.
Diseñaron y fabricaron modelos simples en forma de líneas y un modelo piramidal con una estructura compleja. Esto les permitió modificar los modelos fabricados de varios tamaños con HAp, utilizando el método del proceso de remojo alternativo, sin alterar la microestructura creada por la estereolitografía.
Probaron sus modelos en diversas condiciones cambiando el tiempo de inmersión y el número de ciclos alternos del proceso de remojo. El equipo pudo controlar el espesor de la capa de HAp cambiando las condiciones del proceso de remojo alternativo. Analizaron los modelos de líneas compuestas e investigaron el mecanismo de formación de HAp mediante un proceso de inmersión alternativo en los hidrogeles.
"Al combinar la tecnología de impresión láser 3D y el proceso de remojo alternativo, se ha hecho posible construir materiales compuestos de hidroxiapatita y metacrilato de gelatina 3D precisos con una estructura precisa", afirmó Hiroki Miyajima, profesor asistente especialmente designado de la facultad de ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama. .
De cara al futuro, el equipo espera desarrollar modelos de hueso y médula ósea que imiten la microestructura de los huesos y que contribuyan a la medicina regenerativa, como la regeneración del tejido óseo y la expansión de las células madre hematopoyéticas.
El equipo de investigación incluye a Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo y Kazutoshi Iijima de la Universidad Nacional de Yokohama, Japón.
Más información: Hiroki Miyajima et al, Microfabricación de compuestos de metacrilato de gelatina/hidroxiapatita mediante el uso de un proceso de remojo alternativo, Ciencia e ingeniería de biomateriales ACS (2023). DOI:10.1021/acsbiomaterials.3c01046
Proporcionado por la Universidad Nacional de Yokohama
