Visão geral da tecnologia de bioimpressão 3D

Bioimpressão 3D imersa no século XXI. É uma ideia incompreensível imprimir tecido humano por meio de manufatura aditiva.



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

Nas últimas décadas, essa tecnologia tem sido usada para tentar criar construções de tecidos funcionais que imitam o tecido humano.

Portanto, a bioimpressão 3D pode encerrar os longos processos envolvidos em ensaios clínicos de medicamentos em animais e humanos.

Além disso, pode ser a solução para a escassez de órgãos durante os transplantes de órgãos que são propensos a falhar devido à rejeição de tecidos. Esse avanço acabaria com o estado desesperado de doação de órgãos em todo o mundo. Aqui está tudo o que você precisa saber sobre bioimpressão 3D.

O que é bioimpressão 3D?

A manufatura aditiva ampliou sua aplicação na engenharia de órgãos. O processo envolve a construção de um órgão ou tecido em camadas (uma camada ou outra). Ele utiliza a abordagem de baixo para cima da impressão 3D.

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

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

Na bioimpressão tridimensional, você imprime biomoléculas e células em substratos para formar um padrão específico que mantém a construção unida como a forma 3D necessária. Observe que a bioimpressão 3D usa células-tronco humanas vivas, tecidos e muito mais.

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

Por que o tecido bioimpresso pode substituir animais e humanos em ensaios pré-clínicos

O processo de bioimpressão é automatizado. Assim, essa automação garante padrões celulares precisos e comunicação e organização extracelular controlada.

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

Portanto, o tecido ou órgão bioimpresso que melhorou a comunicação intercelular e intracelular será ideal para a fisiologia humana in vivo.

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

Como funciona a bioimpressão 3D?

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

Com o tempo, o tratamento dessas condições depende do transplante de tecidos ou órgãos. Assim, todo o processo corre o risco de uma resposta imune ou rejeição do enxerto.

Para resolver os dois problemas, a impressão 3D é útil.

Por quê? Como você precisa de um órgão, o objetivo da medicina regenerativa por meio da bioimpressão 3D é fornecer às suas células-tronco o órgão ou tecido de que você precisa. Então você terá o tecido perfeito que não atrai essas respostas autoimunes.



O conceito de bioimpressão 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. Portanto, a ideia gira em torno de emular a complexidade biológica nativa do tecido levando à diferenciação das células-tronco levando à regeneração do tecido.

Por que bioimpressão 3D em vez de doação normal?

Na doação usual, o processo que leva à rejeição de tecidos ou órgãos resulta das formações celulares e da interfase de conexão, entre outras coisas. É influenciado por fatores de crescimento, como fatores de crescimento endoteliais vasculares.

Esse processo é um tanto aleatório e não permite a distribuição personalizada de matrizes ou células extracelulares. Além disso, é menos eficiente e demorado. Do ponto de vista econômico e logístico, essa desvantagem resulta na inviabilidade do enxerto para a aplicação clínica.

Assim, a manufatura aditiva ajuda a explorar a engenharia de tecidos por meio da abordagem de cima para baixo na bioimpressão 3D.

Esta abordagem tem uma natureza controlada no depósito de matéria que ajuda a produzir geometrias precisas que são anatomicamente precisas usando um projeto auxiliado por computador.

Qual ​​é o propósito da bioimpressão tridimensional?

De acordo com as impressoras 3D Allevi, mais de 120.000 cidadãos dos EUA precisam de uma doação de órgãos.

Outros inúmeros pacientes apresentam condições de saúde crônicas e terminais devido à imunossupressão pós-transplante e outros devido aos danos a longo prazo dos mesmos.

Assim, o aumento da pressão e a necessidade de alternativas de transplante de órgãos. A manufatura aditiva tem ajudado a comunidade científica e médica a compor pesquisadores, engenheiros e médicos multidisciplinares para enfrentar os desafios relacionados à saúde humana.

A bioimpressão tridimensional é uma ferramenta que promete a eliminação das listas de espera para transplantes de órgãos e tecidos. Além disso, no desenvolvimento farmacêutico, a bioimpressão tem uma maneira mais rápida e menos dispendiosa de conduzir ensaios clínicos de medicamentos biologicamente relevantes para animais e humanos.

Este dispositivo, por exemplo, ajuda os cirurgiões a unir veias reduzindo complicações. A impressão tridimensional também ajuda a oferecer sistemas mais fáceis de entrega de medicamentos.

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

O objetivo da impressão 3D é fornecer aos médicos e pesquisadores uma ferramenta melhor para tratamentos direcionados com melhores resultados.

Quando a bioimpressão 3D foi inventada?

Essa pergunta nos leva de volta ao início de 1900, quando as impressoras matriciais foram descobertas.

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

No entanto, a bioimpressão tridimensional começou em 2000, quando alguém criou próteses e implantes que quase correspondiam às características do paciente. A área médica adotou usos não biológicos da impressão 3D e modelagem anatômica.

Em 2003, Thomas Boland fez a primeira bioimpressora tridimensional para imprimir um tecido vivo usando bio-tinta de substâncias biocompatíveis. Após o avanço de 2003 foi a implantação bem-sucedida da 1ª bexiga humana feita em laboratório de 2006 e a bioimpressão de 2009 do 1º vaso sanguíneo.

O procedimento para bioimpressão 3D

As estratégias de bioimpressão tridimensional giram em torno da estratificação precisa dos materiais. O processo de bioimpressão envolve as fases de preparação, impressão e pós-manuseio.

Na fase de preparação, você projeta modelos 3D usando computação gráfica. Esses modelos devem ser anatomicamente precisos.

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

A segunda etapa envolve a seleção de materiais aditivos e a última etapa envolve a maturação das estruturas fabricadas.

Técnicas de Bioimpressão

Você pode realizar bioimpressão sem andaimes ou com base em andaimes. Modo baseado em andaime; a matriz compreende o estrato utilizado no processo de fabricação. Esta matriz de biomaterial modela a bio-tinta. Portanto, você pode usar hidrogel carregado de células, um filme ou uma nanofibra.

Observe:o construto biológico resultante deve imitar de perto o ambiente típico da matriz extracelular. Este aspecto permite que as células dos construtos biológicos aumentem e cresçam.

A bioimpressão sem andaimes envolve o depósito de agregados de tecido e células como esferóides, cilindros, favos de mel, etc. O segundo processo envolve colocar esferóides de tecido em pipetas e depois depositar a pipeta em um espaço confinado do molde da bioimpressora 3D por extrusão.

Em seguida, as células formam sua matriz celular, o que leva à maturação do tecido; daí você elimina o molde.

Quais são as desvantagens da bioimpressão 3D?

Um risco de contaminação na bioimpressão a jato de tinta contínuo:a biotinta que não é desviada no substrato recircula na impressora. A recirculação pode levar à contaminação.

A falta de componentes de bioimpressão, como software inadequado, pode definir moléculas biológicas, biomateriais e colocação de células. Essa falta dificulta as operações de bioimpressão 3D.

Na deformação do 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 bioimpressão existem?

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

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

Bioimpressão tridimensional baseada em jato de tinta

A bioimpressão a jato de tinta usa bio-tinta e células vivas em papel bio. A bio-tinta é uma suspensão de biomaterial com baixa viscosidade, enquanto os biopapéis são substâncias de biomateriais como construções poliméricas, um prato de cultura ou um substrato de hidrogel.

Você pode fazer essa técnica de duas maneiras. A primeira maneira é a impressão contínua a jato de tinta. Aqui você cria um fluxo contínuo de gotículas à medida que aplica pressão em sua bio-tinta. A pressão força a tinta para fora.

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

Em segundo lugar, você tem bioimpressão a jato de tinta sob demanda. A ação é semelhante à impressão contínua a jato de tinta, exceto que você produzirá as gotas sob demanda. Portanto, você aplicará pressão de pulso em vez de aplicar pressão contínua.

Transferência direta a laser

A 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 com bio-tinta e um substrato receptor. Você pode usar um laser UV com um pulso de nanossegundos como sua fonte de energia.

Originalmente, o LIFT usava 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.

Absorção assistida por filme (LIFT) para bioimpressão

Aqui, você incluirá uma camada metálica de absorção de laser nas bio-tintas e na interface da fita. Essa camada atua como uma camada de sacrifício, protegendo suas células da exposição ao laser.

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

Bioimpressão baseada em extrusão

A bioimpressão por extrusão é feita de duas maneiras:bioimpressão assistida por pressão e escrita com tinta direta. O DIW envolve um processo de extrusão pneumática onde a bioimpressora tridimensional extruda materiais gerando arquiteturas 3D camada por camada.

Na impressão assistida por pressão, você induzirá o fluxo aplicando uma tensão mais alta acima da tensão de escoamento do aparelho. Assim, você liberará a tensão de cisalhamento e a bio-tinta recupera a rigidez após aplicá-la no substrato.

Bioimpressão 3D SLA

A bioimpressão SLA depende da altura dos materiais biocompatíveis e não de sua complexidade.

A técnica constrói tecidos complexos camada por camada, adicionando materiais e projetando luz. Você projeta a luz em sua bio-tinta fotossensível e termicamente curável.

A fotossensibilidade é um requisito para os biomateriais aqui porque a técnica usa a luz como agente de reticulação. Assim, você deve incluir porções fotocuráveis ​​como derivados de PEG.

Os setores de saúde incorporam a bioimpressão SLA em técnicas de imagem, incluindo ressonância magnética e tomografia computadorizada para melhorias protéticas diagnósticas.

O setor também o utiliza para realizar cirurgias complexas. A bioimpressão SLA tem duas categorias:métodos de impressão multifóton e de fóton único.

Quem poderia se beneficiar da bioimpressão 3D?

Observe que a bioimpressão 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 em que a bioimpressão é aplicável.

• Bioimpressão do tecido da pele
• Bioimpressão de tecido ósseo
• Bioimpressão de tecido cartilaginoso
• Bioimpressão do tecido cardíaco

O que é bioimpressão 3D de tecidos e órgãos?

Bioimpressão do tecido da pele

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

A bioimpressão 3D pode imprimir a pele humana, o que implica fornecer as propriedades mecânicas necessárias, criando todas as suas propriedades em quatro etapas. A primeira fase é preparatória, onde você obtém células-tronco da pele a partir de uma biópsia e as estende em uma cultura para fazer a bio-tinta.

A segunda etapa é a impressão propriamente dita, seguida do pós-processamento, onde as células irão crescer e amadurecer.

Finalmente, você caracteriza e avalia a função do tecido da pele. Portanto, a bioimpressão do tecido da pele irá percorrer um longo caminho para as pessoas que têm câncer de pele ou doenças de pele, queimaduras e problemas com envelhecimento e enrugamento da pele.

Bioimpressão de tecido cardíaco

Os distúrbios cardiovasculares continuaram a causar mortalidade em muitas pessoas. As condições cardíacas comuns incluem parada cardíaca, infarto do miocárdio, insuficiência cardíaca, angina pectoris, cardiomiopatia, etc. Além disso, as artérias e veias apresentam condições crônicas como estenose.

A triste notícia é que os cardiomiócitos são insubstituíveis, pois não possuem auto-regeneração ou processo de reparo. Sua morte contínua aumenta o crescimento do tecido de colágeno, o que aumenta o risco de cardiomiopatia. Com essas condições, é difícil conseguir um doador cardíaco.

Mas com a bioimpressão 3D, essas condições de saúde serão gerenciáveis. A bioimpressão do tecido cardíaco é um desafio devido à complexidade do músculo cardíaco, especialmente em atingir sua natureza auto-rítmica.

Bioimpressão de tecido cartilaginoso

A cartilagem é um tecido branco liso que cobre as extremidades ósseas. É uma estrutura complexa feita de proteoglicanos, colágeno e proteínas.

Suas características marcantes são que o tecido cartilaginoso é avascular, e os sistemas nervoso e linfático também não o alcançam.

Assim, uma vez que você fere continuamente ou causa trauma, você pode acabar com osteoartrite ou deficiência. A engenharia de tecidos atualmente considera a distribuição desses fatores biológicos através da deposição de polietileno e condrócitos na bioimpressão do tecido cartilaginoso.

Bioimpressão de tecido ósseo

O tecido ósseo é um tecido altamente vascularizado e estruturalmente complexo. As fraturas osteodegenerativas e ósseas podem resultar em lesões e traumas que levam à disfunção do tecido ósseo ou a um defeito ósseo crônico.

Essas disfunções e defeitos requerem regeneração óssea que pode ajudar a restaurar o tecido ósseo danificado.

A engenharia de tecidos ósseos utiliza hidrogéis. No entanto, os hidrogéis são incapazes de formar uma matriz óssea mineralizada.

Assim, a bioimpressão do tecido ósseo promete melhores resultados em química controlável e manutenção da forma da integridade do tecido.

Qual ​​material pode ser usado na bioimpressão?

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

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

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

Se preferir polímeros sintéticos, você pode escolher ácido polilático-co-glicólico, policaprolactona, polietilenoglicol. Além disso, você pode escolher uma mistura de biomateriais sintéticos e naturais.

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

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

Encerramento

A bioimpressão 3D é uma ferramenta que promete revolucionar a medicina como a conhecemos. Da engenharia de tecidos cardíacos às estruturas impressas do tecido ósseo, a impressão 3D ajudará a enfrentar os enormes desafios da saúde humana.

Em conclusão, essas aplicações de engenharia de tecidos em tecidos moles cardíacos, vasos sanguíneos, tecido cartilaginoso, etc., ajudarão a lidar com as listas de espera para doações e melhorar a saúde.

Prevemos a migração da biologia celular convencional para a medicina avançada com tecidos e órgãos tridimensionais muito em breve.