Un equipo de investigación de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia ha desarrollado lo que cree que puede ser el prototipo de los primeros componentes básicos de las sinapsis humanas que pueden imprimirse bajo demanda.
Liheng Cai, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química, y su Ph.D. El estudiante Jinchang Zhu ha creado biomateriales con propiedades mecánicas controladas que se adaptan a diferentes tejidos humanos.
“Este es un gran salto en comparación con las tecnologías de bioimpresión existentes”, afirmó Zhou.
Publicaron los resultados el 13 de julio. Comunicaciones de la naturaleza.
Su método único de bioimpresión se llama ensamblaje digital de partículas esféricas. La técnica DASP ensambla partículas de biomaterial en una matriz de soporte, ambas a base de agua, para construir estructuras tridimensionales que proporcionan un entorno adecuado para el crecimiento celular. El proceso de ensamblaje es cómo los “voxels”, la versión 3D de los píxeles, construyen objetos 3D.
“Nuestras nuevas partículas de hidrogel representan los primeros vóxeles funcionales que hemos creado”, dijo Zhu. “Con un control preciso sobre las propiedades mecánicas, este vóxel puede servir como uno de los componentes fundamentales de nuestra futura arquitectura de impresión.
“Por ejemplo, con este nivel de control podemos imprimir organoides, que son modelos 3D basados en células que actúan como tejido humano, para estudiar la progresión de enfermedades en busca de tratamientos”.
Fuerte y amigable con las células
Estas partículas son hidrogeles poliméricos diseñados para imitar el tejido humano adaptando la disposición y los enlaces químicos de los monómeros de una sola molécula, que se unen en cadenas para formar redes.
Las cápsulas dentro de las partículas son células humanas reales.
En comparación con otras biotintas de hidrogel, las de Cai y Zhu son menos tóxicas y más biocompatibles con las células, dijeron. Sus hidrogeles de “doble red”, formados por dos redes moleculares interconectadas, son mecánicamente fuertes, pero muy capaces de imitar las propiedades fisiológicas del tejido humano.
Cai y Zhu describieron por primera vez su tecnología DASP en 2021. Materiales funcionales avanzados. Este trabajo demostró el concepto de utilizar vóxeles de biomaterial como bloques de construcción y, mediante experimentos de laboratorio, demostró un material impreso con DASP que actúa como un páncreas con liberación de insulina estimulada por glucosa.
Pero DASP 1.0 sólo puede imprimir hidrogeles que se desintegran con una capacidad de ajuste limitada. En su último artículo en Nature Communications, Cai y Zhu presentan DASP 2.0, que introduce biotintas de hidrogel de doble red construidas utilizando “química de clic” para entrecruzar o unir rápidamente estructuras moleculares.
La impresora adecuada para el trabajo
Parte de lo que permitió este progreso fueron las mejoras en la bioimpresora del equipo. Diseñaron una boquilla multicanal para mezclar componentes de hidrogel según demanda. La premezcla no es posible porque la reticulación se produce muy rápidamente, pasando de gotas de líquido a un gel elástico hinchado con agua en 60 segundos.
En estudios anteriores, el equipo determinó que la formación de gotas y el rápido desprendimiento de la boquilla son necesarios para imitar las propiedades mecánicas, como la flexibilidad o la rigidez, del tejido humano objetivo.
DASP logra esto depositando gotas grandes en una matriz con una boquilla estrecha y de movimiento rápido, suspendiendolas instantáneamente.
“La manipulación precisa de vóxeles viscoelásticos representa un desafío tanto fundamental como técnico en la ciencia de la materia blanda y la bioimpresión 3D”, dijo Cai en 2022, cuando publicó su segundo artículo sobre DASP.
Dijo que ahora hemos sentado las bases de la bioimpresión voxelizada. “Cuando se realice por completo, las aplicaciones de DASP incluirán prótesis, modelado de enfermedades y tejidos, y detección de candidatos para nuevos fármacos. Y probablemente no se detendrá ahí”.
La financiación para esta investigación fue proporcionada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Plataforma de Lanzamiento para la Diabetes de la UVA, el Centro Coulter de Investigación Traslacional de la UVA, la Fundación de Investigación de la Diabetes Juvenil, la Junta de Investigación de Salud de la Commonwealth de Virginia y el Centro de Biofabricación Avanzada de la UVA.
