La bioimpresión comprende tres etapas principales:1. Pre-bioimpresión, que incluye el diseño de la estructura, preparación bioink, y evaluación de la capacidad de impresión. Las leyes de la física pueden ayudar a los científicos a preparar bioenlaces con parámetros ajustables para obtener el mejor resultado de fabricación; 2. El proceso de bioimpresión, que implica la entrega de optimizados, bioenlaces preparados en la forma deseada utilizando un sistema controlado por computadora; 3. Post-bioimpresión, la etapa más crítica, que incorpora la cuarta dimensión de la bioimpresión, tiempo. Esta etapa involucra varios procesos de autoensamblaje celular regidos por leyes físicas. Los investigadores han investigado la física del autoensamblaje celular para lograr tejidos / órganos bioimpresos funcionales y viables. Crédito:Ashkan Shafiee
Las impresoras 3-D se pueden utilizar para hacer una variedad de objetos útiles construyendo una forma, capa por capa. Los científicos han utilizado esta misma técnica para "bioimprimir" tejidos vivos, incluyendo músculos y huesos.
La bioimpresión es una tecnología relativamente nueva que ha avanzado principalmente por ensayo y error. Los científicos ahora están utilizando las leyes de la física y el modelado informático predictivo para mejorar estas técnicas y optimizar el proceso de bioimpresión. Estos nuevos avances se revisan en la edición del 4 de junio de Reseñas de física aplicada .
Las bioimpresoras más utilizadas son la extrusión, impresoras de inyección de tinta y láser. Cada tipo implica una física ligeramente diferente, y cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas.
Dijo el coautor Ashkan Shafiee, "La única manera de lograr una transición significativa de la fase de 'prueba y error' a la fase de 'predecir y controlar' de la bioimpresión es comprender y aplicar la física subyacente".
Una impresora de extrusión carga un material, conocido como bioink, en una jeringa y lo imprime expulsando la tinta con un pistón o presión de aire. El bioink puede ser una colección de células vivas puras o una suspensión de células en un hidrogel o un polímero. Las bioimpresoras de inyección de tinta funcionan de manera similar, pero utilizan un cristal piezoeléctrico o un calentador para crear gotas a partir de una pequeña abertura. Las impresoras láser enfocan un rayo láser en una cinta, donde se extiende una fina capa de bioink, y da como resultado una alta viabilidad celular.
Los productos biológicos creados por bioimpresión generalmente no se pueden utilizar de inmediato. Si bien la impresora puede crear una configuración inicial de celdas, estas celdas se multiplicarán y volverán a ensamblarse en una nueva configuración. El proceso es similar a lo que ocurre cuando se desarrolla un embrión, y las células se fusionan con otras células y se clasifican en nuevas regiones.
Las técnicas de modelado por computadora se desarrollaron a mediados de la década de 2010 para optimizar el paso de autoensamblaje posterior a la impresión de la bioimpresión. donde pequeños fragmentos de tejido se entregan en un material de soporte con la forma de la estructura biológica deseada, como un órgano, con bioink. Los pequeños fragmentos luego se desarrollan más y se autoensamblan en la estructura biológica final.
El modelo incluye ecuaciones que describen las fuerzas de atracción y repulsión entre células. Los autores demostraron que las simulaciones que utilizan este método, conocido como dinámica de partículas celulares, o CPD:predice correctamente el patrón en el que se ensamblará una colección de celdas después del paso de impresión inicial.
