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Uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego fez avanços significativos na solução de alguns dos desafios mais complicados na bioimpressão de tecidos de engenharia 3D, atendendo aos principais requisitos de alta densidade celular, alta viabilidade celular e resolução de fabricação fina.
A pesquisa liderada por nanoengenheiros da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego foi publicada na edição de 22 de fevereiro de 2023 da Avanços da Ciência.
A bioimpressão é baseada na tecnologia de impressão 3D, usando células e biopolímeros para criar estruturas e tecidos biológicos. Tecidos de engenharia 3D – tecidos semelhantes a humanos criados em laboratório, mas funcionais, feitos de células vivas e andaimes de biomateriais – têm grande potencial para aplicações biomédicas, incluindo teste e desenvolvimento de drogas, transplantes de órgãos, medicina regenerativa, medicina personalizada, modelagem de doenças e mais. Seus usos podem agregar velocidade e integridade significativas ao processo de desenvolvimento de medicamentos, além de ajudar a mitigar os desafios associados à escassez de doadores de órgãos e à rejeição imunológica.
Um dos tipos mais promissores de bioimpressão 3D é chamado de bioimpressão digital de processamento de luz (DLP). Dentro deste ramo da bioimpressão 3D, o progresso foi impedido por impedimentos práticos e técnicos. Tem se mostrado difícil imprimir tecidos com altas densidades celulares e estruturas finamente resolvidas.
“Após a impressão, cultivamos a construção para permitir que as células amadureçam ou se reorganizem em um tecido funcional. Portanto, a célula é como uma semente e cada tipo de célula tem uma densidade específica na qual são mais potentes para brotar”, disse Shaochen Chen, o professor de nanoengenharia que lidera a equipe de pesquisa.
Usando as abordagens existentes, quanto mais densa a presença de células na biotinta, que é um polímero biocompatível usado na bioimpressão 3D baseada em DLP, mais a luz se espalha, dificultando a resolução da impressão.
Os pesquisadores reduziram esse efeito de dispersão de luz em dez vezes, permitindo imprimir com altas densidades celulares e alta resolução graças ao agente de contraste iodixanol, um novo ingrediente da biotinta.
“Usando iodixanol, desenvolvemos uma biotinta de índice de refração correspondente para bioimpressão baseada em DLP para mitigar a dispersão de luz das células, concentrando a energia dentro do padrão de luz definido pelo usuário para melhorar a fidelidade da impressão”, disse Shangting You, um pós-doutorando em nanoengenharia companheiro da UC San Diego, membro da equipe de Chen e co-primeiro autor do trabalho de pesquisa.
Por quase duas décadas, o laboratório de Chen ajudou a orientar o desenvolvimento de técnicas de impressão 3D e bioimpressão baseadas em DLP, ajudando a criar a base para a biomanufatura 3D moderna.
Como funciona
A bioimpressão 3D baseada em DLP usa um dispositivo de microespelho digital (DMD) para projetar uma seção transversal 2D do modelo 3D para a biotinta fotorreticulável. Quando exposta à luz, a biotinta fotorreticulável, que pode ser sintética ou natural, solidifica. Em seguida, um estágio motorizado eleva a biotinta em algumas dezenas de mícrons para 200 mícrons, o que permite que a biotinta não curada preencha a lacuna. Quando a próxima seção transversal é projetada para a biotinta, uma nova camada se solidifica e o processo se repete.
Quando tudo corre bem, uma camada recém-formada corresponde precisamente à forma da seção transversal projetada. No entanto, com os métodos existentes, a incorporação de células na biotinta pode causar dispersão de luz severa, que desfoca a luz projetada na biotinta. Como resultado, as camadas recém-formadas não podem replicar os detalhes finos das seções transversais projetadas.
Ajustar o índice de refração da biotinta minimiza esse efeito de dispersão e melhora significativamente a fabricação. A pesquisa do Chen Lab mostra que um tamanho de recurso de ~ 50 µm pode ser alcançado em uma biotinta de metacrilato de gelatina (GelMA) com índice de refração correspondente com uma densidade celular de até 0,1 bilhão/mL.
Esta abordagem apresenta algumas inovações técnicas inovadoras, incluindo uma rede vascular orgânica oca incorporada em um tecido espesso carregado de células, permitindo a cultura perfundida e de longo prazo, e um floco de neve e formato de raio para mostrar a alta resolução para ambos positivos e características negativas.
O projeto não foi isento de desafios. “Desenvolvemos vários materiais de biotinta e vários protocolos para manipulá-los”, disse Yi Xiang, estudante de doutorado em nanoengenharia da UC San Diego, membro da equipe de Chen e co-autor do trabalho de pesquisa. “Mas com o maior tempo de impressão para um tecido maior, qualquer inconsistência e instabilidade nas células e no biomaterial foi amplificada. Portanto, tivemos que modificar e otimizar tanto a composição do material quanto os procedimentos de manuseio.”
Este projeto marca o primeiro uso de iodixanol como biotinta em bioimpressão DLP, em alta densidade celular e com longos intervalos de exposição. “Realizamos uma série de investigações biológicas para avaliar esse impacto e desenvolvemos alguns procedimentos pós-impressão para dissipar suficientemente o iodixanol”, disse Xiang.
Com a resolução de impressão aprimorada mediada pelo iodixanol, um tecido pré-vascularizado de alta densidade celular com um tamanho total de 17 x 11 x 3,6 mm3 foi fabricado.
“A cultura in vitro de um tecido tão espesso foi prejudicada pela difusão limitada de oxigênio e nutrientes”, disse Chen. “Conseguimos imprimir lúmens vasculares perfundíveis embutidos no tecido com diâmetros variando de 250 µm a 600 µm, que foram interligados com um sistema de perfusão para cultura de longo prazo. Demonstramos que os lúmens vasculares foram endotelizados e o tecido espesso permaneceu viável para 14 dias de cultivo.”
Próximos passos
A equipe continua trabalhando na otimização de seu sistema de materiais e parâmetros de bioimpressão para a fabricação de tecidos espessos funcionais e registrou uma patente provisória que cobre este trabalho.
Os próximos passos que Chen sugere incluem o desenvolvimento de células de alta densidade precisamente estruturadas em vitro modelos de tecidos para recapitulação histológica e funcional aprimorada, com foco na impressão de tecidos grandes de alta densidade celular para transplantes e substituições de tecidos e órgãos em seres humanos.
Artigo: “Bioimpressão 3D de Alta Densidade Celular e Alta Resolução para Fabricação de Tecidos Vascularizados” em Avanços da ciência
Os co-autores incluem: Shangting You*, Yi Xiang* e Henry H. Hwang, Departamento de NanoEngenharia, Universidade da Califórnia em San Diego; David B. Berry, Departamento de Cirurgia Ortopédica, UC San Diego; Wisarut Kiratitanaporn, Departamento de Bioengenharia, UC San Diego; Jiaao Guan, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação, UC San Diego; Emmie Yao, Min Tang e Zheng Zhong, Departamento de NanoEngineering, UC San Diego; Xinyue Ma, Escola de Ciências Biológicas, UC San Diego; Daniel Wangpraseurt, Departamento de NanoEngineering e Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego; Yazhi Sun, Departamento de NanoEngineering, UC San Diego; Ting-yu Lu, Programa de Ciência e Engenharia de Materiais, UC San Diego; e Shaochen Chen, Departamento de NanoEngineering, Departamento de Bioengenharia, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e Programa de Ciência e Engenharia de Materiais, UC San Diego.
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