Este año hay niños pequeños que celebran las fiestas con sus familias, gracias a los dispositivos médicos impresos en 3D creados en el laboratorio del investigador de Georgia Tech, Scott Hollister. Durante más de 10 años, Hollister y sus colaboradores han desarrollado férulas para vías respiratorias específicas para bebés que salvan vidas y que tienen defectos congénitos poco comunes.
Estos dispositivos personalizados de soporte de las vías respiratorias están fabricados de un poliéster biocompatible llamado policaprolactona (PCL), que tiene la ventaja de estar aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos. Los investigadores utilizan la sinterización selectiva por láser para calentar el poliéster en polvo, que se une formando una estructura sólida. Los dispositivos fabricados con PCL tienen un gran historial de seguridad cuando se implantan en pacientes.
Desafortunadamente, el PCL tiene la desventaja de tener propiedades mecánicas relativamente rígidas y lineales, lo que significa que este prometedor biomaterial aún no se ha aplicado funcionalmente a otras necesidades biomédicas críticas, como la ingeniería de tejidos blandos. ¿Cómo se convierte un termoplástico firme en algo flexible y posiblemente capaz de crecer con el paciente? El laboratorio de Hollister ha descubierto cómo hacerlo.
"Diseño auxético en 3D", afirmó Jeong Hun Park, científico investigador del laboratorio de Hollister que dirigió el reciente estudio del equipo que demuestra la exitosa impresión 3D de PCL para la ingeniería de tejidos blandos. Un material auxético, a diferencia de los elásticos comunes típicos, tiene una relación de Poisson negativa. Eso significa que si estira un material auxético longitudinalmente, también se expandirá en dirección lateral, mientras que la mayoría de los materiales se volverán más delgados lateralmente (porque tienen una relación de Poisson positiva).
Por tanto, una estructura auxética puede expandirse en ambas direcciones, lo que resulta útil al considerar aplicaciones biomédicas para humanos, cuyos cuerpos y partes pueden cambiar de tamaño y forma con el tiempo y comprender muchas texturas y densidades diferentes. El equipo de Hollister se propuso darle al PCL, normalmente firme, algunas nuevas propiedades auxéticas.
"Aunque las propiedades mecánicas y el comportamiento de la estructura 3D dependen de las propiedades inherentes del material base (en este caso, PCL), también se pueden ajustar significativamente mediante el diseño de la arquitectura interna", explicó Park.
Park guió el diseño de estructuras impresas en 3D formadas por pequeños puntales dispuestos en ángulo recto; imagine los huesos de rascacielos muy pequeños. El equipo comenzó creando primero estructuras en forma de cubo para probar la flexibilidad, resistencia y permeabilidad del diseño auxético.
El trabajo está publicado en la revista Advanced Functional Materials .
Comportamiento flexible
Básicamente, un material auxético es una estructura de red diseñada mediante el ensamblaje de celdas unitarias. Estas celdas unitarias constan de puntales y sus uniones que se cruzan, que son un aspecto importante del comportamiento de un dispositivo auxético. La rotación de aquellas uniones que se cruzan dentro de la red, bajo compresión o extensión, provoca el comportamiento de Poisson negativo. También permite un rendimiento avanzado para un dispositivo impreso, incluida la absorción de energía de impacto, resistencia a las muescas y alta flexibilidad.
"Cuando nos fijamos en los números, según el trabajo de Jeong Hun, la nueva estructura es aproximadamente 300 veces más flexible que la estructura sólida típica que hacemos con PCL en nuestro laboratorio", dijo Hollister, profesor del Departamento de Ciencias de Wallace H. Coulter. Ingeniería Biomédica en Georgia Tech y Emory University, donde también ocupa la cátedra Patsy y Alan Dorris de Tecnología Pediátrica y se desempeña como presidente asociado del departamento de investigación traslacional.
La combinación de flexibilidad y resistencia en un dispositivo es particularmente importante aquí, dijo Park, porque el objetivo final de la investigación es "aplicar esta estructura para desarrollar un implante de reconstrucción mamaria que tenga propiedades biomecánicas comparables al tejido mamario nativo. Actualmente, no No tenemos una opción de implante mamario biodegradable en el entorno clínico."
Explicó que estos implantes de reconstrucción mamaria biodegradables sirven como una especie de andamio. La idea es que el material biocompatible (PCL) eventualmente se degrada y es absorbido por el cuerpo, manteniendo propiedades mecánicas similares a las del tejido mamario nativo.
"Esperamos que primero se infiltre tejido nativo en los poros del implante biodegradable", dijo Park. "El volumen del tejido aumentará dentro del implante a medida que se degrada y, eventualmente, el dispositivo en sí será reemplazado por el tejido después de la degradación completa del implante".
Básicamente, el implante mamario impreso en 3D está diseñado para brindar soporte reconstructivo y al mismo tiempo facilitar el crecimiento de tejido nuevo.
El espacio entre esos pequeños puntales marca la diferencia para el dispositivo más grande, dándole una suavidad y flexibilidad que de otro modo habría sido imposible. Con el tiempo, esos espacios se pueden llenar con hidrogel que ayudará a fomentar el crecimiento de células y tejidos.
La arquitectura auxiliar diseñada por el equipo también incluye el diseño de huecos y espacios internos dentro de los puntales, creando una especie de microporosidad que permite el transporte masivo de oxígeno, nutrientes y metabolitos para fomentar la expansión y el crecimiento de una red celular.
Park está trabajando con la cirujana de Emory, Angela Cheng, para presentar una subvención para realizar más investigaciones y pruebas del implante mamario. Y el equipo ya está adaptando la tecnología para otras aplicaciones. Uno de los colaboradores de esta investigación, por ejemplo, es Mike Davis, cuyo laboratorio en Emory se centra en la regeneración cardíaca.
"Debido a su gran flexibilidad, lo están usando para reconstruir tejido de miocardio infartado o necrótico", dijo Hollister.
Y Park ha desarrollado una versión auxética de la férula traqueal pediátrica. "La ventaja es que con este diseño se puede expandir en dos direcciones", dijo. "Así que, a medida que los pacientes jóvenes crezcan, el nuevo dispositivo crecerá con ellos".
Más información: Jeong Hun Park et al, Impresión 3D de implantes auxiliares de poli‐ε‐caprolactona (PCL) con rendimiento avanzado para ingeniería de tejidos blandos de gran volumen, Materiales funcionales avanzados (2023). DOI:10.1002/adfm.202215220
Información de la revista: Materiales funcionales avanzados
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Georgia
