Explorando a Bioprintagem 3D: Revolucionando Engenharia de Tecidos e Medicina Regenerativa

A bioprintagem 3D imersa no século 21. É uma ideia alucinante imprimir tecido humano através de manufatura aditiva.

Pode-se dizer que é um passo excepcional na medicina regenerativa e de engenharia de tecidos.

Ao longo das últimas décadas, esta tecnologia tem sido usada para tentar criar construções de tecido funcionais que imitam tecido humano.

Portanto, a bioprintagem 3D poderia terminar os longos processos envolvidos em ensaios clínicos em animais e humanos de drogas.

Além disso, poderia ser a solução para escassez de órgãos durante transplantes de órgãos, que é propenso a falhar por causa de rejeição de tecido. Este avanço terminaria o estado desesperado de doação de órgãos mundial. Aqui está tudo que você precisa saber sobre bioprintagem 3D.

O que é Bioprintagem 3D?

A manufatura aditiva estendeu sua aplicação em engenharia de órgãos. O processo envolve construir um órgão ou tecido em camadas (uma camada ou outra). Utiliza a abordagem bottom-up da impressão 3D.

A abordagem camada por camada garante que você deposite células primárias, biônicas e outros materiais de uma forma específica que imita a arquitetura celular típica.

Assim, o processo leva a um tecido ou órgão sintetizado com a funcionalidade e estrutura normal do tecido natural complexo.

Na bioprintagem 3 Dimensional, você imprime biomoléculas e células em substratos para formar um padrão particular que mantém a construção junta como a forma 3D requerida. Por favor, note que a bioprintagem 3D usa células-tronco humanas vivas, tecidos e mais.

Assim, você deve seguir as modalidades envolvidas com tecidos vivos. Estas modalidades incluem biocompatibilidade de células e materiais, sensibilidade celular aos seus materiais e métodos de impressão, perfusão e entrega de fator de crescimento.

Por Que Tecido Bioprintado Pode Substituir Animais e Humanos em Ensaios Pré-clínicos

O processo de bioprintagem é automatizado. Assim, esta automação garante padrões celulares precisos e comunicação e organização extracelular controladas.

Além disso, a fabricação camada a camada do tecido biossintetizado garante que o tecido impresso tenha poros interconectados.

Portanto, o tecido ou órgão bioprintado que tem comunicação intercelular e intracelular melhorada será ideal para fisiologia humana in vivo.

Esta característica tornaria o tecido sintético melhor porque ajuda nos dados obtidos nos ensaios pré-clínicos também porque tecido animal pode não prever suficientemente resposta fisiopatológica humana.

Como Funciona a Bioprintagem 3D?

No corpo humano, tecidos se danificam e degeneram diariamente. No entanto, suas capacidades de regeneração de tecido podem não ser suficientes para lidar com traumas frequentes como acidentes ou doenças cardíacas.

Com o tempo, tratar tais condições depende de transplante de tecido ou órgão. Assim, todo o processo arrisca uma resposta imune ou rejeição de enxerto.

Na resolução dos dois problemas, a impressão 3D vem a calhar.

Por quê? Porque você precisa de um órgão, o objetivo da medicina regenerativa através da bioprintagem 3D é fornecer suas células-tronco com o órgão ou tecido que você precisa. Então você terá o tecido perfeito que não atrai estas respostas autoimunes.

O conceito de bioprintagem 3D envolve princípios de ciência de materiais e biologia humana para sintetizar tecidos e órgãos.

Assim, o foco principal é restaurar órgãos ou tecidos danificados, como cirrose hepática ou insuficiência cardíaca. Daí a ideia gira em torno de emular a complexidade biológica nativa do tecido levando a diferenciação de células-tronco levando a regeneração de tecido.

Por Que Bioprintagem 3D em Vez de Doação Normal?

Na doação usual, o processo que leva a rejeição de tecido ou órgão resulta das formações celulares e interface de conexão, entre outras coisas. É influenciado por fatores de crescimento, como fatores de crescimento endotelial vascular.

Este processo é um tanto aleatório e não permite distribuição personalizada de matrizes extracelulares ou células. Além disso, é menos eficiente e demorado. Do ponto de vista econômico e logístico, esta desvantagem resulta em não viabilidade de enxerto para aplicação clínica.

Assim, a manufatura aditiva ajuda a explorar engenharia de tecidos através da abordagem top-down na bioprintagem 3D.

Esta abordagem tem uma natureza controlada na deposição de matéria que ajuda a produzir geometrias precisas que são anatomicamente precisas usando design assistido por computador.

Qual é o Propósito da Bioprintagem Tridimensional?

Segundo impressoras 3D Allevi, mais de 120.000 cidadãos dos EUA precisam de doação de órgão.

Outros inumeráveis pacientes têm condições de saúde crônicas e terminais devido à imuno-supressão pós-transplante e outros por causa do dano a longo prazo do mesmo.

Assim, a pressão aumentada e a necessidade de alternativas de transplante de órgão. A manufatura aditiva ajudou a comunidade científica e médica a compor pesquisadores multidisciplinares, engenheiros e médicos para enfrentar desafios relacionados à saúde humana.

Bioprintagem tridimensional é uma ferramenta prometendo a eliminação de listas de espera para transplante de órgãos e tecidos. Também, no desenvolvimento farmacêutico, a bioprintagem tem uma maneira mais rápida e menos custosa de conduzir ensaios clínicos de drogas que são biologicamente relevantes para animais e humanos.

Este dispositivo, por exemplo, ajuda cirurgiões a unir veias reduzindo complicações. Impressão tridimensional também ajuda a oferecer sistemas de entrega de drogas mais fáceis.

Surpreendentemente, a futura evolução da bioprintagem 3D fará engenharia de tecido ósseo e pele, tecido cardíaco, remendos de órgãos ou substituição completa de órgão usando células-tronco do paciente.

O objetivo da impressão 3D é fornecer médicos e pesquisadores com uma ferramenta melhor para tratamentos alvo com resultados melhorados.

Quando a Bioprintagem 3D Foi Inventada?

Esta pergunta nos leva de volta ao início dos anos 1900 quando impressoras de matriz de pontos foram descobertas.

As impressoras tridimensionais capazes de imprimir objetos tangíveis de dados por Charles Hall formaram uma base para todos os entusiastas e engenheiros imprimirem diferentes objetos, incluindo tecidos e edifícios.

No entanto, a bioprintagem tridimensional começou em 2000 quando alguém criou próteses e implantes que quase combinavam com as características do paciente. O campo médico abraçou usos não biológicos de impressão 3D mais modelagem anatômica.

Em 2003, Thomas Boland fez a primeira bioprintadora tridimensional para imprimir um tecido vivo usando bio-tinta de substâncias biocompatíveis. Seguindo o avanço de 2003, foi a implantação bem-sucedida da bexiga humana feita em laboratório em 2006 e a bioprintagem do primeiro vaso sanguíneo em 2009.

O Procedimento para Bioprintagem 3D

Estratégias de bioprintagem tridimensional giram em torno da camada precisa de materiais. O processo de bioprintagem envolve fases de preparação, impressão e pós-manuseio.

Na fase de preparação, você desenha modelos 3D usando gráficos de computador. Estes modelos devem ser anatomicamente precisos.

Você também seleciona a bio-tinta que usará. Esta seleção significa que você determina o tecido muscular ou a estrutura que quer, assim selecionando os materiais certos, incluindo células de mamíferos, células endoteliais ou quaisquer outros tipos de células que você precise.

A segunda etapa envolve selecionar materiais aditivos, e a última etapa envolve amadurecer as estruturas fabricadas.

Técnicas de Bioprintagem

Você pode realizar bioprintagem tanto sem scaffold quanto baseada em scaffold. Modo baseado em scaffold; a matriz compreende o estrato usado no processo de fabricação. Este biomaterial matriz padroniza a bio-tinta. Portanto, você pode usar hidrogel carregado de células, um filme ou uma nanofibra.

Por favor, note: o resultado da construção biológica deve imitar de perto o ambiente típico de matriz extracelular. Este aspecto permite que as células das construções biológicas aumentem e cresçam.

Bioprintagem sem scaffold envolve depositar agregados de tecido e células como esferoides, cilindros, favos de mel, etc. O segundo processo envolve colocar esferoides de tecido em pipetas então depositar a pipeta em um espaço confinado do molde de bioprintadora 3D por extrusão.

Então as células formam sua matriz celular, que leva a maturação do tecido; logo você elimina o molde.

Quais São as Desvantagens da Bioprintagem 3D?

Risco de contaminação em bioprintagem a jato de tinta contínuo: a bio-tinta que não é desviada no substrato recircula para sua impressora. A recirculação pode levar a contaminação.

Falta de componentes de bioprintagem como software inadequado pode definir moléculas biológicas, biomateriais e colocação de células. Esta falta prejudica operações de bioprintagem 3D.

Na deformação de scaffold, seus tecidos recém-formados podem falhar se você não fornecer suporte mecânico e estrutural. Assim, você deve fabricar construções 3D estáveis.

Quantos Tipos de Bioprintagem Existem?

Existem várias técnicas de impressão tridimensional para fabricação e padronização seletiva da matriz extracelular. Elas incluem:

• Impressão a jato de tinta
• Impressão por extrusão
• Bioprintagem assistida por laser
• Bioprintagem estereolitográfica

Bioprintagem Tridimensional Baseada em Jato de Tinta

Bioprintagem a jato de tinta usa bio-tinta e células vivas em bio-papel. Bio-tinta é uma suspensão de biomaterial com baixa viscosidade, enquanto bio-papéis são substâncias de biomaterial como construções de polímero, uma placa de cultura ou um substrato de hidrogel.

Você pode fazer esta técnica de duas maneiras. A primeira maneira é impressão a jato de tinta contínua. Aqui você cria um fluxo contínuo de gotas enquanto aplica pressão na sua bio-tinta. A pressão força a tinta para fora.

Então você aplica um campo elétrico que desvia o fluxo de bio-tinta para um substrato. Uma calha coleta as gotas em excesso que não se alinham no fluxo para reuso.

Segundo, você tem bioprintagem a jato de tinta sob demanda. A ação é similar à impressão a jato de tinta contínua, exceto que você produz as gotas sob demanda. Portanto, você aplicará pressão de pulso em vez de aplicar pressão contínua.

Transferência Direta a Laser

Transferência direta induzida por laser utiliza feixes de laser para depositar bio-tinta em substratos. Este método oferece um processo de escrita sem contato para impressão tridimensional.

Neste método, você tem três elementos vitais, incluindo uma fonte de laser (pulsada), uma fita revestida de bio-tinta e um substrato receptor. Você pode usar um laser UV com pulso de nanossegundo como sua fonte de energia.

Originalmente, LIFT usou um pulso de laser de alta energia para rabiscar características de metal no substrato transparente depositando-o diretamente. A técnica se estende como AFA-LIFT.

Filme Absorvedor Assistido (LIFT) para Bioprintagem

Aqui, você incluirá uma camada absorvedora de laser metálica na interface das bio-tintas e da fita. Esta camada atua como uma camada sacrificial, protegendo suas células da exposição ao laser.

Nesta técnica, você pode imprimir células diretamente na matriz extracelular. Também, você pode imprimi-las como peças encapsuladas no processo de impressão.

Bioprintagem Baseada em Extrusão

Bioprintagem por extrusão é feita de duas maneiras: Bioprintagem Assistida por Pressão e Escrita Direta de Tinta. DIW envolve um processo de extrusão pneumática onde a bioprintadora tridimensional extrude materiais gerando arquiteturas 3D camada por camada.

Na impressão assistida por pressão, você induzirá fluxo aplicando estresse mais alto acima do estresse de cedência do aparato. Assim, você liberará o estresse de cisalhamento, e a bio-tinta recuperará rigidez após aplicá-la no substrato.

Bioprintagem 3D SLA

Bioprintagem SLA depende da altura dos materiais biocompatíveis em vez de sua complexidade.

A técnica constrói tecidos complexos camada por camada adicionando materiais e projetando luz. Você projeta a luz na sua bio-tinta foto-sensível e curável por calor.

Foto-sensibilidade é um requisito para os biomateriais aqui porque a técnica toma luz como agente de ligação cruzada. Assim, você deve incluir moiedades fotocuráveis como derivados PEG.

Setores de saúde incorporam bioprintagem SLA em técnicas de imagem, incluindo MRI e tomografias computadorizadas para melhorias de próteses diagnósticas.

O setor também a usa para alcançar cirurgias complexas. Bioprintagem SLA tem duas categorias: métodos de impressão multi-fóton e fóton único.

Quem Poderia se Beneficiar da Bioprintagem 3D?

Por favor, note que bioprintagem de órgãos e tecidos precisa de mais anos de pesquisa. Mas poderíamos antecipar quem esta ferramenta beneficiará principalmente vários pacientes. Aqui está uma lista de áreas onde a bioprintagem é aplicável.

• Bioprintagem de tecido de pele
• Bioprintagem de tecido ósseo
• Bioprintagem de tecido de cartilagem
• Bioprintagem de tecido cardíaco

O que é Bioprintagem 3D de Tecidos e Órgãos?

Bioprintagem de Tecido de Pele

A pele humana é complexa com estruturas acessórias como glândulas sebáceas, glândulas sudoríparas, cabelo e unhas. Você também tem diferentes tipos de células e terminações nervosas. Tecido de colágeno é responsável pela elasticidade da sua pele.

A bioprintagem 3D pode imprimir a pele humana, o que envolve dar a ela as propriedades mecânicas necessárias criando todas as suas propriedades em quatro passos. A primeira fase é preparatória, onde você obtém células-tronco de pele de uma biópsia e as estende em cultura para fazer a bio-tinta.

A segunda etapa é a impressão real, seguida por pós-processamento, onde as células aumentarão e amadurecerão.

Finalmente, você caracteriza e avalia a função do tecido de pele. Portanto, a bioprintagem de tecido de pele irá longe para pessoas que têm câncer de pele ou doenças de pele, queimaduras e problemas com envelhecimento e rugas da pele.

Bioprintagem de Tecido Cardíaco

Distúrbios cardiovasculares continuaram a causar mortalidade em muitas pessoas. Condições cardíacas comuns incluem parada cardíaca, infarto do miocárdio, insuficiência cardíaca, angina peitoral, cardiomiopatia, etc. Além disso, artérias e veias mostraram condições crônicas como estenose.

A notícia triste é que cardiomiócitos são irreplaceáveis, pois carecem de um processo de auto-regeneração ou reparo. Sua morte contínua aumenta o crescimento de tecido de colágeno, que aumenta o risco de cardiomiopatia. Com estas condições, é difícil obter um doador cardíaco.

Mas com bioprintagem 3D, estas condições de saúde serão gerenciáveis. Bioprintagem de tecido cardíaco é desafiadora devido à complexidade do músculo cardíaco, especialmente em atingir sua natureza auto-rítmica.

Bioprintagem de Tecido de Cartilagem

Cartilagem é um tecido branco liso cobrindo as extremidades dos ossos. É uma estrutura complexa feita de proteoglicanos, colágeno e proteínas.

Suas características notáveis são que o tecido de cartilagem é avascular, e os sistemas nervoso e linfático não o alcançam também.

Portanto, uma vez que você continuamente lesiona ou causa trauma, pode terminar com osteoartrite ou comprometimento. Engenharia de tecidos atualmente considera distribuir aqueles fatores biológicos através de deposição de polietileno e condrócitos na bioprintagem de tecido de cartilagem.

Bioprintagem de Tecido Ósseo

Tecido ósseo é um tecido altamente vascularizado e estruturalmente complexo. Osteo-degenerativo e fraturas ósseas podem resultar em lesões e trauma levando a disfunção de tecido ósseo ou defeito ósseo crônico.

Estas disfunções e defeitos necessitam regeneração óssea que pode ajudar a restaurar o tecido ósseo danificado.

Engenharia de tecido ósseo utiliza hidrogéis. No entanto, os hidrogéis são incapazes de formar uma matriz óssea mineralizada.

Assim, a bioprintagem de tecido ósseo promete melhores resultados em química controlada e manutenção de forma da integridade do tecido.

Qual Material Pode Ser Usado na Bioprintagem?

A tinta deve possuir suas propriedades bioquímicas desejadas, que ajudarão a depositá-la nos padrões especificados. Por quê?

Porque a bio-tinta facilita interações de matriz extracelular e proliferação e crescimento celular. Também, a tinta deve ser biocompatível para suportar a morfologia do tecido desejado.

Para bioprintagem de tecidos cardíacos e de pele, você precisará de uma bio-tinta similar. Você pode escolher polímeros naturais como colágeno, gelatina, alginato ou ácido hialurônico.

Se você preferir polímeros sintéticos, poderia escolher ácido poli lático-co-glicólico, policaprolactona, polietileno Glicol. Além disso, você pode escolher uma mistura de biomateriais sintéticos e naturais.

Ao selecionar bio-tinta de tecido ósseo, considere especialização celular, funcionalidade e citocompatibilidade.

Você pode usar gelatina, hidroxiapatita; Gelatina para a fase preparatória e hidroxiapatita para ajudar a construção de tecido impresso imitar o tecido ósseo natural.

Resumo

A bioprintagem 3D é uma ferramenta prometendo revolucionar a medicina como a conhecemos. Da engenharia de tecido cardíaco a estruturas de tecido ósseo impressas, a impressão 3D ajudará a enfrentar os tremendo desafios na saúde humana.

Em conclusão, estas aplicações de engenharia de tecidos em tecido mole cardíaco, vasos sanguíneos, tecido de cartilagem, etc., ajudarão a enfrentar listas de espera para doações e melhorar a saúde.

Antecipamos migrar da biologia celular convencional para medicina avançada com tecidos e órgãos tridimensionais muito em breve.