Todos los días en los Estados Unidos, 17 personas mueren esperando un trasplante de órganos, y cada nueve minutos, se agrega otra persona a la lista de espera de trasplante, según la Administración de Recursos y Servicios de Salud. Una posible solución para aliviar la escasez es desarrollar biomateriales que puedan imprimirse tridimensionalmente (3D) como formas de órganos complejos, capaces de albergar células y formar tejidos. Sin embargo, los intentos hasta ahora no han sido suficientes, ya que los llamados biotintas de hidrogel a granel no logran integrarse adecuadamente en el cuerpo y apoyar a las células en construcciones de tejido grueso.

Ahora, los investigadores de Penn State han desarrollado un nuevo bioenlace de hidrogel granular de nanoingeniería que utiliza nanopartículas autoensamblables y micropartículas de hidrogel, o microgeles, para lograr niveles de porosidad, fidelidad de forma e integración celular nunca antes alcanzados.

El equipo publicó su enfoque en la revista Small . Su trabajo aparecerá en la portada de la revista.

"Hemos desarrollado una nueva biotinta de hidrogel granular para la bioimpresión de extrusión 3D de andamios microporosos de ingeniería de tejidos", dijo el autor correspondiente Amir Sheikhi, profesor asistente de ingeniería química de Penn State que tiene una cita de cortesía en ingeniería biomédica. "Hemos superado las limitaciones anteriores de la bioimpresión 3D de hidrogeles granulares mediante la unión reversible de los microgeles mediante nanopartículas que se autoensamblan. Esto permite la fabricación de biotinta de hidrogel granular con microporosidad bien conservada, capacidad de impresión mejorada y fidelidad de forma".

Hasta la fecha, la mayoría de los biotintas se han basado en hidrogeles a granel (redes de polímeros que pueden contener una gran cantidad de agua mientras mantienen su estructura) con poros a nanoescala que limitan las interacciones célula-célula y célula-matriz, así como la transferencia de oxígeno y nutrientes. También requieren degradación y/o remodelación para permitir la infiltración y migración celular, retrasando o inhibiendo la integración de biotinta-tejido.

"La principal limitación de la bioimpresión 3D que utiliza biotintas de hidrogel a granel convencionales es el equilibrio entre la fidelidad de la forma y la viabilidad celular, que está regulada por la rigidez y la porosidad del hidrogel", dijo Sheikhi. "Aumentar la rigidez del hidrogel mejora la fidelidad de la forma de la construcción, pero también reduce la porosidad, lo que compromete la viabilidad celular".

Para superar este problema, los científicos en el campo comenzaron a usar microgeles para ensamblar andamios de ingeniería de tejidos. A diferencia de los hidrogeles a granel, estos andamios de hidrogel granular pudieron formar construcciones 3D in situ, regular la porosidad de las estructuras creadas y desacoplar la rigidez de los hidrogeles de la porosidad.

Sin embargo, la viabilidad celular y la migración seguían siendo un problema, dijo Sheikhi. Para lograr las características positivas durante el proceso de impresión 3D, los hidrogeles granulares deben empaquetarse estrechamente, comprometiendo el espacio entre los microgeles e impactando negativamente en la porosidad, lo que a su vez afecta negativamente la viabilidad y la motilidad celular.

El enfoque de los investigadores de Penn State aborda el problema de la "interferencia" al mismo tiempo que mantiene las características positivas de los hidrogeles granulares al aumentar la adherencia de los microgeles entre sí. Los microgeles se adhieren entre sí, eliminando la necesidad de un empaque apretado como resultado del autoensamblaje interfacial de nanopartículas adsorbidas en microgeles y preservando los poros a microescala.

"Nuestro trabajo se basa en la premisa de que las nanopartículas pueden adsorberse en las superficies de los microgeles poliméricos y adherir los microgeles entre sí de manera reversible, sin llenar los poros entre los microgeles", dijo Sheikhi. "El mecanismo de adhesión reversible se basa en nanopartículas cargadas heterogéneamente que pueden impartir enlaces dinámicos a microgeles poco empaquetados. Dichos enlaces dinámicos pueden formarse o romperse al liberarse o ejercer una fuerza de corte, lo que permite la bioimpresión 3D de las suspensiones de microgeles sin empaquetarlas densamente".

Los investigadores dicen que esta tecnología puede expandirse a otras plataformas granulares formadas por microgeles poliméricos sintéticos, naturales o híbridos, que pueden ensamblarse entre sí utilizando nanopartículas similares u otros métodos físicos y/o químicos, como la unión reversible inducida por carga. , interacciones huésped-huésped o enlaces covalentes dinámicos.

Según Sheikhi, los investigadores planean explorar cómo la biotinta granular de nanoingeniería podría aplicarse aún más para la ingeniería y regeneración de tejidos, modelos de órganos/tejidos/enfermedades en un chip y bioimpresión 3D in situ de órganos.

"Al abordar uno de los desafíos persistentes en la bioimpresión 3D de hidrogeles granulares, nuestro trabajo podría abrir nuevas vías en la ingeniería de tejidos y la impresión de órganos funcionales", dijo Sheikhi. + Explora más

Los científicos bioimprimen construcciones similares a tejidos capaces de cambios de forma complejos y controlados