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No videogame Minecraft, tudo, incluindo animais e personagens, é feito de pequenos blocos 3D chamados voxels. Cientistas de materiais da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Virgínia desenvolveram uma abordagem voxelada semelhante ao Minecraft que usa gotículas como blocos básicos de construção para criar estruturas complicadas comparáveis a tecidos e órgãos humanos.
Liheng Cai, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, engenharia química e engenharia biomédica, lidera a equipe. Jinchang Zhu, um Ph.D. aluno do Laboratório de Biomatéria Mole da Cai, desenvolve sua técnica de bioimpressão, montagem digital de partículas esféricas de bio-tinta ou DASP.
“Em princípio, o DASP nos permite definir com precisão a localização, composição e propriedades de gotículas individuais e montá-las em construções 3D que combinam com a arte dos tecidos biológicos”, disse Zhu.
Usando uma impressora 3D personalizada, a equipe extruda e deposita gotículas de biotinta dentro de uma matriz de suporte, um banho de lama que suporta e retém as gotículas no espaço 3D. As gotículas incham, entram em contato com as gotículas vizinhas e depois se solidificam para formar uma estrutura de treliça 3D. Com combinações de gotículas feitas de vários materiais ou encapsuladas com vários componentes, o DASP mostra um grande número de possibilidades para projetar e criar construções de tecidos funcionais.
Zhu foi o primeiro autor do artigo original da equipe publicado em outubro de 2021 em Materiais funcionais avançadosonde Cai e seus colaboradores provaram o conceito de bioimpressão voxelada.
“O artigo que publicamos no ano passado foi um primeiro passo em direção à impressão 3D de tecido com a complexidade e organização necessárias para engenharia biomédica, triagem de drogas e modelagem de doenças”, disse Cai.
Zhu e Cai foram convidados a compartilhar sua pesquisa mais recente, All-aqueous Printing of Viscoelastic Droplets in Yield-stress Fluids, em uma edição especial de setembro de 2022 da Acta Biomaterialia.
Neste artigo mais recente, eles explicam o mecanismo para manipular uma gota viscoelástica no que é chamado de matriz de suporte de tensão de escoamento: A matriz de suporte se comporta como uma pilha de areia, que é como um sólido quando não perturbada, mas flui como um líquido sob tensão .
Uma característica única de todo este processo de impressão é que tanto as gotículas de biotinta quanto a matriz de suporte são aquosas; praticamente não há tensão nos limites entre as gotas e o ambiente circundante. A bio-tinta é altamente viscosa como o mel, mas é elástica ao ser deformada em taxas rápidas.
Zhu e Cai monitoram a dinâmica de todo o processo de bioimpressão em tempo real e identificam três estágios envolvidos: geração de gotas, desapego e relaxamento. À medida que a gota é extrudada, o bocal se move horizontalmente em alta aceleração para se desprender da gota, deixando-a para trás e presa dentro da matriz de suporte.
“Um caso análogo é o truque clássico de puxar a toalha de mesa, no qual a toalha é puxada repentinamente, deixando os pratos na mesa devido à força de inércia”, disse Zhu, “mas em nossa técnica, a gota é destacada do bico principalmente devido à força de confinamento da matriz de suporte.”
A equipe também identificou parâmetros que afetam amplamente a resolução da impressão, incluindo o diâmetro da gota, o diâmetro do bocal e a aceleração do bocal. Seus experimentos indicam que a impressão de gotas de boa fidelidade requer uma proporção relativamente grande de diâmetro de gota para bico e uma aceleração de bocal adequada de até dez metros por segundo quadrado.
“A manipulação precisa de voxels viscoelásticos representa um desafio fundamental e tecnológico na ciência da matéria mole e na bioimpressão 3D”, disse Cai. “Estamos apenas no começo para estabelecer a ciência fundamental para a bioimpressão voxelada. E esperamos que um dia possamos traduzir completamente a abordagem do Minecraft para a bioimpressão 3D, de modo que possamos criar imitações de tecido 3D altamente funcionais para biomedicinas básicas e aplicadas.”
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