La Dra. Kirsten Borchers calibra la boquilla de impresión. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft
El futuro de la medicina es biológico, y los científicos esperan que pronto usemos tejido biológicamente funcional impreso en 3D para reemplazar el tejido dañado irreparablemente en el cuerpo. Un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB ha estado trabajando con la Universidad de Stuttgart durante varios años en un proyecto para desarrollar y optimizar bioenlaces adecuados para la fabricación aditiva. Variando la composición del biomaterial, los investigadores ya han logrado ampliar su cartera para incluir tintas para huesos y vascularización. Eso ha sentado las bases para la fabricación de estructuras de tejido similares a huesos con redes capilares.
La impresión 3D no solo está ganando terreno en la fabricación, sino que también está adquiriendo una importancia cada vez mayor en el ámbito de la medicina regenerativa. Los científicos ahora esperan utilizar este método de fabricación aditiva para crear andamios de tejido biocompatibles a medida que reemplazarán el tejido dañado irreparablemente. Un equipo de investigadores de Fraunhofer IGB en Stuttgart también está trabajando en tintas de base biológica para la fabricación de implantes biológicos en el laboratorio utilizando técnicas de impresión 3-D. Para crear un objeto 3-D en la forma preprogramada deseada, el equipo utiliza un enfoque capa por capa para imprimir una mezcla líquida que comprende biopolímeros como gelatina o ácido hialurónico, medio acuoso y células vivas. Estas tintas biológicas permanecen en un estado viscoso durante la impresión y luego se exponen a la luz ultravioleta para reticularlas en redes de polímeros que contienen agua llamadas hidrogeles.
Modificación química dirigida de biomoléculas
Los científicos pueden modificar químicamente las biomoléculas para proporcionar a los geles resultantes diferentes grados de reticulación e hinchazón. Esto permite imitar la consistencia del tejido natural, desde hidrogeles más fuertes para el cartílago hasta geles más suaves para el tejido graso. También se pueden realizar amplios ajustes en el nivel de viscosidad:"A una temperatura ambiente de 21 grados Celsius, la gelatina es tan firme como la gelatina, lo cual no es bueno para imprimir. Para evitar la gelificación dependiente de la temperatura y permitirnos procesarla independientemente de la temperatura, 'enmascaramos' las cadenas laterales de las biomoléculas que se encargan de gelificar la gelatina, "dice el Dr. Achim Weber, jefe del Grupo de formulaciones y sistemas basados en partículas, explicando uno de los desafíos clave encontrados en el proceso.
Un desafío adicional es que la gelatina debe reticularse químicamente para evitar que se licue a temperaturas de alrededor de 37 grados. Lograr esto, se funcionaliza dos veces:en este caso, el equipo de investigación ha optado por la integración de grupos metacrilo reticulables en las biomoléculas, sustituyendo así varias partes de los no reticulantes, enmascaramiento de grupos acetilo:un enfoque único en el campo de la bioimpresión. "Formulamos tintas que ofrecen condiciones ajustadas para diferentes tipos de células y estructuras de tejidos, "dice la Dra. Kirsten Borchers, responsable de los proyectos de bioimpresión en Stuttgart.
Jeringas que contienen diversas formulaciones de tintas biológicas. Crédito:Fraunhofer-Gesellschaft
En colaboración con la Universidad de Stuttgart, Recientemente, el equipo logró crear dos entornos de hidrogel diferentes:geles más rígidos con componentes minerales para atender a las células óseas, y geles más blandos sin componentes minerales para permitir que las células de los vasos sanguíneos se formen en estructuras de tipo capilar.
Tintas para huesos y vascularización
Los investigadores ya han logrado producir tinta para huesos sobre la base del kit de materiales que crearon. Su objetivo es permitir que las células procesadas en el kit regeneren el tejido original, en otras palabras, para formar tejido óseo ellos mismos. El secreto para crear la tinta reside en una mezcla especial del polvo mineral óseo hidroxiapatita y biomoléculas. "El mejor entorno artificial para las células es aquel que se acerca más a las condiciones naturales del cuerpo. Por eso, el papel de la matriz tisular en nuestros tejidos impresos lo desempeñan los biomateriales que generamos a partir de elementos de la matriz tisular natural, "dice el científico.
La tinta de vascularización forma geles blandos que apoyan el establecimiento de estructuras capilares. Las células que forman los vasos sanguíneos se incorporan a las tintas. Las celdas se mueven migran entre sí y forman sistemas de redes capilares que consisten en pequeñas estructuras tubulares. Si se implantara este sustituto óseo, el implante biológico se conectaría al sistema de vasos sanguíneos del receptor mucho más rápido que un implante sin pre-estructuras capilares, como se detalla en la literatura relevante. "Probablemente sería imposible imprimir en 3D estructuras de tejido más grandes con éxito sin tinta de vascularización, "dice Weber.
El último proyecto de investigación del equipo de Stuttgart implica el desarrollo de matrices para regenerar cartílago. "Independientemente del tipo de célula que aislemos del tejido corporal y lo multipliquemos en el laboratorio, tenemos que crear un entorno adecuado en el que puedan cumplir sus funciones específicas durante períodos de tiempo más largos, "explica el bioingeniero del equipo, Lisa Rebers.
Fraunhofer IGB continúa con su trabajo de investigación en el Centro de Alto Rendimiento de Personalización Masiva en Stuttgart como parte de una iniciativa conjunta con el Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Fabricación y Automatización IPA y la Universidad de Stuttgart. El grupo de trabajo interdisciplinario de Additive4Life es responsable de crear nuevas tecnologías y biomateriales imprimibles para bioimpresión.
