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Tejido biológico impreso 3D

El futuro de la medicina es tecnológico, y los científicos esperan que pronto utilicemos tejido biológico impreso 3D totalmente funcional 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 enlaces biológicos adecuados para la fabricación aditiva. Al variar la composición del biomaterial, los investigadores ya han logrado expandir su cartera para incluir tintas de hueso y vascularización.

Eso ha sentado las bases para la fabricación de estructuras de tejido tipo hueso con redes capilares.

La impresión 3D no solo está ganando terreno en la fabricación, sino que también está adquiriendo una importancia creciente en el ámbito de la medicina regenerativa. Los científicos ahora esperan utilizar este método de fabricación aditiva para crear tejido biocompatible a medida. Andamios que reemplazarán el tejido irreparablemente dañado. 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 en 3D.

Tejidos biológicos impresión 3D
© Fraunhofer IGB
Jeringas que contienen diversas formulaciones de bio-tinta.

Para crear un objeto 3D en la forma preprogramada deseada, el equipo utiliza un enfoque de 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 UV 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 hinchabilidad. 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 hacer amplios ajustes al nivel de viscosidad: «A una temperatura ambiente de 21 grados centígrados, la gelatina es tan firme como la gelatina, lo que no es bueno para la impresión. Para evitar la gelificación dependiente de la temperatura y permitirnos procesarla independientemente de temperatura, «enmascaramos» las cadenas laterales de las biomoléculas que son responsables de la gelatina gelificante «, dice el Dr. Achim Weber, jefe del Grupo de Formulaciones y Sistemas a Base de Partículas, explicando uno de los principales desafíos encontrados en el proceso.

Otro desafío es que la gelatina debe estar químicamente reticulada para evitar que se licue a temperaturas de alrededor de 37 grados.

Para lograr esto, se funcionaliza dos veces: en este caso, el equipo de investigación ha optado por la integración de grupos de metacrilo reticulables en las biomoléculas, sustituyendo así varias partes de los grupos acetilo que no se reticulan, enmascarando, un enfoque único en el campo de la bioimpresión. . «Formulamos tintas que ofrecen condiciones ajustadas para diferentes tipos de células y estructuras tisulares», dice el Dr. Kirsten Borchers, responsable de los proyectos de bioimpresión en Stuttgart.

En colaboración con la Universidad de Stuttgart, el equipo recientemente logró crear dos ambientes de hidrogel diferentes: geles más rígidos con componentes minerales para atender a las células óseas, y geles más suaves sin componentes minerales para permitir que las células de los vasos sanguíneos se formen en estructuras similares a capilares.

Tintas para hueso y vascularización

Los investigadores ya han logrado producir tinta para huesos sobre la base del kit de material que crearon. Su objetivo es permitir que las células procesadas en el kit regeneren el tejido original, en otras palabras, para que formen tejido óseo por sí mismas. El secreto para crear la tinta radica en una mezcla especial de polvo mineral óseo, hidroxilapatita y biomoléculas.

«El mejor ambiente artificial para las células es el 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 suaves que soportan el establecimiento de estructuras capilares. Las células que forman los vasos sanguíneos se incorporan en las tintas. Las células 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 preestructuras de tipo capilar, 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 consiste en desarrollar matrices para regenerar el cartílago. «Cualquiera sea el tipo de célula que aislamos del tejido corporal y se multiplica en el laboratorio, tenemos que crear un entorno adecuado en el que puedan cumplir sus funciones específicas durante largos períodos de tiempo», explica la bioingeniería del equipo, Lisa Rebers.

Fraunhofer IGB continúa 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 para Ingeniería de Manufactura y Automatización IPA y la Universidad de Stuttgart. El grupo de trabajo interdisciplinario Additive4Life es responsable de crear nuevas tecnologías y biomateriales imprimibles para la bioimpresión.

Fuente: Fraunhofer