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La nueva técnica de bioimpresión crea tejido funcional 10 veces más rápido.

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La impresión tridimensional (3D) no es sólo una forma de producir rápidamente productos materiales. También ofrece a los investigadores una forma de replicar tejido humano que puede usarse para mejorar la salud humana, como la construcción de órganos para trasplantes, el estudio de la progresión de enfermedades y la detección de nuevos medicamentos. Si bien los investigadores han logrado avances a lo largo de los años, el campo se ha visto obstaculizado por las limitadas tecnologías actuales que no pueden imprimir tejidos con grandes densidades celulares.

Un equipo de investigadores de Penn State ha desarrollado una novedosa técnica de bioimpresión que utiliza esferoides, que son grupos de células, para crear tejido complejo. Esta nueva técnica mejora la precisión y escalabilidad de la fabricación de tejidos, produciendo tejido 10 veces más rápido que los métodos actuales. Esto abre la puerta al desarrollo de tejidos y órganos funcionales y a avances en el campo de la medicina regenerativa, dijeron los investigadores.

Publicaron sus hallazgos. Comunicaciones de la naturaleza.

“Esta técnica podría utilizarse en la bioimpresión rápida de esferoides”, dijo Ibrahim T. Ozbulat, catedrático Dorothy Fuhr Hook y Jay Lloyd Hook de bioimpresión 3D y medicina regenerativa y profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica, profesor de ingeniería biomédica y neurocirugía. importante avance.” Estado de Pensilvania. “Esto permite la bioimpresión de tejidos con un alto rendimiento y a un ritmo mucho más rápido que las técnicas actuales con viabilidad celular reducida”.

La bioimpresión permite a los investigadores crear estructuras 3D a partir de células vivas y otros biomateriales. Las células vivas se encapsulan en un sustrato similar a un hidrogel para crear la biotinta, que luego se imprime en capas utilizando una impresora especializada. Estas células crecen y proliferan, y eventualmente maduran hasta convertirse en tejido 3D durante varias semanas. Ozbolat explicó que es como construir una pared de ladrillos donde las células son los ladrillos y la biotinta es el cemento o mortero.

Sin embargo, es difícil lograr densidades celulares similares a las que se encuentran en el cuerpo humano con este enfoque estándar, dijo Ozbulat. La densidad celular es esencial para el desarrollo de tejidos que sean funcionales y puedan utilizarse en entornos clínicos. Los esferoides, por otro lado, ofrecen una alternativa prometedora para la bioimpresión de tejidos porque tienen una densidad celular similar a la del tejido humano.

Si bien la impresión 3D de esferoides ofrece una solución viable para producir la densidad necesaria, los investigadores se ven limitados por la falta de técnicas escalables. Los métodos actuales de bioimpresión a menudo dañan estructuras celulares delicadas durante el proceso de impresión, matando algunas células. Otras tecnologías son engorrosas y no ofrecen el control preciso del movimiento y la colocación de los esferoides necesarios para crear réplicas de tejido humano.

O los procesos son lentos. En una investigación publicada anteriormente, Ozbulat y sus colegas desarrollaron un sistema de bioimpresión asistido por deseos. Usando la punta de una pipeta, los investigadores pueden tomar pequeñas bolas de células y colocarlas en el lugar exacto donde se ensamblan y forman un tejido sólido. Sin embargo, debido a que la técnica implica mover esferoides uno a la vez, puede llevar días construir una estructura de un solo centímetro cúbico.

Para abordar estos problemas, el equipo desarrolló una nueva técnica llamada Sistema Integrado de Fabricación de Tejidos de Alto Rendimiento para Bioimpresión (HITS-Bio). HITS-Bio utiliza un conjunto de boquillas controladas digitalmente, una disposición de múltiples boquillas que se mueve en tres dimensiones y permite a los investigadores conectar varios esferoides a la vez. El equipo dispuso las boquillas en matrices de cuatro por cuatro, que pueden recoger simultáneamente 16 esferoides y colocarlos de forma rápida y precisa sobre un sustrato de biotinta. El conjunto de boquillas también puede recoger esferoides en un patrón personalizado, que luego puede repetirse para crear la arquitectura que se encuentra en el tejido complejo.

“Entonces podremos construir estructuras escalables muy rápidamente”, afirmó Ozbulat. “Es 10 veces más rápido que las técnicas actuales y mantiene una alta viabilidad celular de más del 90%”.

Para probar la plataforma, el equipo se propuso crear tejido cartilaginoso. Crearon una estructura de un centímetro cúbico que contenía alrededor de 600 esferoides hechos de células capaces de formar cartílago. El proceso tomó menos de 40 minutos, un ritmo extremadamente eficiente que excede la capacidad de las tecnologías de bioimpresión actuales.

Luego, el equipo demostró que la técnica de bioimpresión podría usarse para la reparación de tejidos bajo demanda en un entorno quirúrgico en un modelo de ratón. Imprimieron los esferoides directamente en el sitio de la herida en el cuero cabelludo durante la cirugía, que fue la primera vez que se imprimieron esferoides intraoperatoriamente. Los investigadores programaron los esferoides para que se convirtieran en huesos utilizando tecnología de microARN. Los microARN ayudan a controlar la expresión genética en las células, incluida la forma en que las células se diferencian en tipos específicos.

“Debido a que administramos células en dosis altas con esta técnica, en realidad aceleró la reparación ósea”, dijo Ozbulat. Después de tres semanas, la herida se curó en un 91 por ciento después de tres semanas y en un 96 por ciento después de sólo seis semanas.

Ozbulat dijo que la técnica HITS-Bio ofrece la oportunidad de crear tejido complejo y funcional de manera escalable. Aumentar el número de boquillas puede producir tejidos más grandes y complejos, como órganos y tejidos de órganos como el hígado.

Ozbulat dijo que el equipo también está trabajando en técnicas para incorporar vasos sanguíneos en tejido artificial, un paso necesario hacia la creación de más tipos de tejido que puedan usarse clínicamente o para trasplantes. Esto no fue un problema con las dos aplicaciones demostradas en este estudio porque el cartílago no tiene vasos sanguíneos y, en un entorno quirúrgico, los vasos sanguíneos circundantes ayudan a que la sangre fluya hacia el tejido óseo bioimpreso.

Otros autores de Penn State incluyen: Myung Hwan Kim, estudiante de doctorado en ingeniería biomédica; Yogendra Pratap Singh y Meiji Yeo, académicos postdoctorales en ciencias de la ingeniería y mecánica; Daniel Hayes, Dorothy Fuhr Hook y Jay Lloyd Hook, catedrático de Nanoterapia y Medicina Regenerativa; y Elias Rizk, profesor de neurocirugía de la Facultad de Medicina de Penn State. La coautora Nazmiye Celik era una becaria de doctorado en ciencias de la ingeniería y mecánica en el momento del estudio y ahora es becaria postdoctoral en la Universidad Johns Hopkins.

Ozbulat, Kim, Singh, Yeo y Hayes están afiliados al Instituto Hook de Ciencias de la Vida. Ozbolat y Hayes también están afiliados al Instituto de Investigación de Materiales de Penn State. Ozbulat también está afiliado al Penn State Cancer Institute.

Este trabajo fue apoyado por financiación del Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería y el Instituto Nacional de Investigaciones Dentales y Craneofaciales.

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