Explicação da bioimpressão 3D:definição, história, mecanismos e tipos principais

A bioimpressão 3D representa um grupo de tecnologias em estágio inicial. Esses campos de pesquisa examinam o uso de materiais biológicos na impressão de implantes funcionais e dispositivos de teste que simulam, estimulam ou replicam tecidos reais, tanto para implantes de pacientes quanto para ferramentas de pesquisa. Embora estas tecnologias estejam numa fase muito inicial, mostram-se promissoras em termos de mudanças de paradigma nas intervenções médicas que têm implicações dramáticas e de longo alcance.

Este artigo discutirá:O que é bioimpressão 3D? , sua história, como funciona e seus tipos.

O que significa bioimpressão 3D?

A bioimpressão 3D é o uso de materiais biológicos e biofuncionais na fabricação aditiva. Impressoras altamente especializadas são usadas para criar estruturas 3D feitas com esses materiais biológicos. Alguns exemplos são:células vivas, estruturas bioativas ou materiais de estrutura e biomoléculas. O processo utiliza métodos típicos de impressão 3D para depositar o material biológico em camadas, resultando em imitações biológicas, estruturas e construções substitutas para diversos fins médicos.

O objetivo desta bioimpressão 3D é a fabricação de construções de tecidos complexos e altamente funcionais e, eventualmente, de órgãos. Eles são usados ​​para fins médicos, como implantação de pacientes, testes de drogas e modelagem de patologia. Esta tecnologia está atualmente operando em níveis bastante primitivos. No entanto, em termos de tecidos funcionais, o progresso da investigação sugere que irá revolucionar os cuidados de saúde, ao permitir o fabrico personalizado de órgãos que são funcionalmente semelhantes (ou melhores que) aos tecidos naturais que replicam.

Quando começou a bioimpressão 3D?

Não há um único momento em que as tecnologias e pesquisas que resultaram na bioimpressão 3D subitamente se transformaram em soluções para pacientes. No entanto, vários eventos significativos destacam-se como seminais na definição dos fundamentos desta tecnologia. Gabor Forgacs observou que as células poderiam ser organizadas em “novas” estruturas espaciais e que combinariam e reteriam a estrutura indefinidamente. Esta compreensão foi mais tarde fundamental para a construção 3D de estruturas biológicas, pois ensinou que elas poderiam ser induzidas a manter uma forma.

Os materiais biocompatíveis começaram a ser utilizados em soluções regenerativas de saúde por volta de 2000. Isto levou diretamente à construção de andaimes espaciais, desenvolvidos na Wake Forest University. Os andaimes foram colonizados com células cultivadas de pacientes e implantados sem rejeição ou drogas imunossupressoras. Estes provaram ser estáveis ​​a longo prazo. Em 2002, a tecnologia de bioextrusão foi relatada por Landers e comercializada como “3D-Bioplotter”. Wilson e Boland usaram uma impressora jato de tinta HP modificada como bioimpressora em 2003 e, em 2004, desenvolveram a bioimpressão carregada por células com uma impressora comercial SLA construindo andaimes.

Como funciona a bioimpressão 3D?

O processo de bioimpressão 3D geralmente consiste nestas etapas:

1. Crie um desenho 3D dos tecidos ou órgãos que serão impressos. Ferramentas como o BioPrint Pro da Allevi 3D estão se desenvolvendo rapidamente.
2. Selecione a biotinta ideal. O material utilizado na impressão 3D contém materiais como:proteínas e fatores de crescimento em resinas biocompatíveis e fotocuradas. Esses são materiais prontos para uso, prontos para imprimir equipamentos de bioimpressora SLA inadequados. Antes da impressão, eles devem ser infundidos com células cultivadas do paciente que serão estimuladas a “crescer” o órgão.
3. A bioimpressora constrói o modelo conforme projetado, processando-o por meio de software fatiador padrão. As biotintas são formuladas para vários métodos de produção, como extrusão, jato de tinta e impressão SLA. A biotinta depositada se funde para formar uma estrutura porosa, pronta para a maturação celular.
4. A estrutura impressa é curada para uma forma mais estável e reticulada por uma variedade de processos, adequados para tipos específicos de biotinta.
5. Após a reticulação, o material impresso é incubado em um biorreator. O tecido/órgão impresso será tratado como um ser vivo neste processo, para otimizar o seu desenvolvimento.

Para obter mais informações, consulte nosso guia sobre Como funcionam as impressoras 3D.

Qual é a importância da bioimpressão 3D?

O uso crescente da bioimpressão em todas as áreas de atendimento ao paciente, desenvolvimento de medicamentos e pesquisa é resultado do desenvolvimento de um kit de ferramentas cada vez mais poderoso. Este é o estágio inicial do que provavelmente se tornará a fabricação de tecidos e órgãos de reposição total. A capacidade de construir novos órgãos personalizados para implantes cirúrgicos está prestes a revolucionar todo o setor médico. Ele permite tratamentos de pacientes com tecidos induzidos para produzir transplantes novos, perfeitos e “reais” com pouco ou nenhum risco de rejeição. A Figura 1 é um exemplo de órgão bioimpresso:



Órgão bioimpresso em 3D.

Crédito da imagem:Shutterstock.com/guteksk7

Qual é o objetivo da bioimpressão 3D?

A bioimpressão é o processo de entrega de estruturas prontas para incubação e preenchidas com células do paciente que podem ser incubadas e nutridas para se tornarem órgãos de reposição. É um passo fundamental e insubstituível na entrega de tecidos e órgãos transplantáveis ​​prontos para o paciente, que o sistema imunológico do paciente reconhecerá como “próprio”. 

Quais são os diferentes tipos de bioimpressão 3D?

A bioimpressão desenvolveu-se em três vertentes distintas, cada uma com suas dificuldades e benefícios:

1. Bioimpressão baseada em jato de tinta

A bioimpressão baseada em jato de tinta usa impressão a jato de tinta especificamente modificada para colocar células vivas e biomateriais em uma construção 3D estereolitográfica para construir estruturas biológicas – tecidos e órgãos. A cabeça de impressão dispensa biotinta contendo células de pacientes e mídia de suporte biológico, fornecendo uma “imagem” de cada fatia no design 3D, construída na camada anterior. Essas biotintas contêm elementos curados por UV ou endurecidos por calor que integram e unem cada camada à camada inferior. Dessa forma, os tecidos projetados são dispostos em uma estrutura 3D que pode então ser incubada até a maturidade.

A bioimpressão baseada em jato de tinta é de alta resolução, alta velocidade e adequada para aplicar vários tipos de células ou biomateriais em uma impressão. Embora ainda longe de ser popular, esta tecnologia é um método experimental fundamental na engenharia de tecidos para medicina regenerativa e de implantes e também em testes de drogas.

2. Bioimpressão assistida por pressão

A bioimpressão assistida por pressão usa um fornecimento pneumático ou hidráulico de gotículas finas de biotinta em uma plataforma de construção. Isso constrói os tecidos conforme projetado, em um processo camada por camada. Quando a camada de biotinta é depositada, ela é curada através da exposição à luz ultravioleta ou mudança de temperatura. Este processo ajuda a formar uma estrutura integral que pode ser incubada para amadurecer os tecidos prontos do paciente (ou teste de pesquisa). Este processo é mais simples em muitos aspectos do que as alternativas. Permite a colocação de células mistas, para uma imitação mais próxima de tecidos reais. A resolução é menor, sendo baseada em gotículas extrudadas. Em muitos casos, esta é uma pequena desvantagem para um método de construção de tecido poderoso.

3. Bioimpressão assistida por laser

A bioimpressão assistida por laser usa um laser para transferir e depositar com precisão células vivas ou biomateriais em uma plataforma de construção. Ele cria as estruturas biológicas 3D desejadas, como tecidos e órgãos. O feixe de laser evapora o material do substrato em uma fita de transferência carregada com biotinta. Isso faz com que o substrato evapore rapidamente e ejete a biotinta na construção. Isso deposita gotículas precisas de biotinta na construção, camada por camada, para criar a estrutura 3D desejada. Esta é uma simulação aproximada da impressão a jato de bolhas.

A bioimpressão baseada em laser oferece vários benefícios em relação a outras técnicas de impressão 3D, incluindo controle de alta precisão sobre o posicionamento das células, a capacidade de imprimir em alta resolução e a capacidade de usar uma variedade de biomateriais, incluindo aqueles com composições mais complexas. O excesso de potência do laser pode resultar em danos celulares, e a técnica está mal equipada para fornecer altas densidades celulares.

Quais são as diferentes abordagens de bioimpressão 3D?

As diferentes abordagens de bioimpressão 3D estão listadas abaixo:

1. Biomimética

A biomimética utiliza processos e materiais naturais de tecidos para resolver problemas estruturais e funcionais de bioimpressão. A biomimética pode criar métodos mais eficazes para a produção de tecidos e órgãos biológicos estreitamente análogos. O uso de materiais de matriz extracelular natural (ECM) para criar estruturas para engenharia de tecidos é uma forma de biomimética. ECM fornece suporte estrutural às células. O uso de materiais naturais de ECM, como colágeno e ácido hialurônico, pode melhorar a integridade estrutural e a funcionalidade dos resultados dos tecidos impressos.

O uso de biotintas que contêm materiais não naturais que imitam as propriedades dos tecidos naturais, como rigidez, elasticidade e adesão celular, pode ajudar a criar tecidos impressos com melhor funcionamento. Alguns pesquisadores estão explorando métodos de impressão 3D que imitam a forma como as aranhas tecem teias para criar propriedades complexas e mais típicas da natureza em estruturas biológicas impressas.

2. Automontagem Autônoma

A automontagem autônoma busca permitir que as células se autoorganizem e formem as estruturas necessárias sem a necessidade de manipulação/colocação direta. Esta abordagem procura imitar a forma como as células se reúnem naturalmente, no crescimento normal dos tecidos. As células dos pacientes são misturadas com uma biotinta que contém um material de gel que pode ser moldado no formato desejado. As células e a biotinta são então incubadas para permitir que a auto-organização aconteça. Isso forma estruturas de tecidos ou órgãos mais próximas da natureza. Esta abordagem é diferente dos métodos tradicionais de bioimpressão, nos quais as células são colocadas com precisão num padrão pré-determinado para criar uma estrutura.

A bioimpressão autônoma de automontagem tem grandes vantagens sobre a bioimpressão tradicional se puder ser alcançada de forma repetitiva e previsível. Por exemplo, permite a criação de estruturas de tecidos mais complexas e realistas, mobilizando processos morfogenéticos de desenvolvimento. Eliminar a necessidade de manipulação externa reduz o dano celular que pode ser uma barreira na bioimpressão.

Os investigadores estão a desenvolver novos materiais e técnicas para orientar o processo natural e intrínseco de automontagem, para proporcionar um resultado mais natural e de melhor funcionamento. Esta é talvez a área de investigação mais significativa em bioimpressão, pois tem o potencial de provocar outra revolução na engenharia de tecidos e na medicina regenerativa.

3. Mini-tecido

Minitecidos (ou microtecidos) são estruturas celulares tridimensionais limitadas. Eles são usados ​​na descoberta de medicamentos, testes de toxicidade e engenharia de tecidos – e especificamente não como implantes em pacientes. Eles são impressos pelos métodos geralmente usados:biotintas normais misturadas com células vivas. A criação de minitecidos oferece vantagens em relação às tradicionais culturas de células em placas de Petri 2D que são usadas de outra forma. Ao imitar mais de perto a complexidade dos tecidos naturais, eles oferecem resultados mais realistas para testes de drogas e triagem de toxicidade. Os pesquisadores esperam montar tecidos e órgãos maiores que possam ser potencialmente usados ​​como implantes em pacientes, imprimindo pequenos blocos de construção.

Quais são as etapas do processo de bioimpressão 3D?

A bioimpressão é um processo que exige rigor e alto controle em todos os aspectos. Cada etapa abaixo é uma área de intensa pesquisa, pois técnicas e materiais alternativos estão em constante desenvolvimento:

1. Pré-Bioimpressão

O processo de pré-bioimpressão consiste em várias etapas que devem estar todas exatamente corretas – as margens de variação e erro são mínimas para que o resultado seja uma estrutura de tecido útil. O primeiro passo é conceituar e especificar a estrutura desejada. Isto definirá a forma, o tamanho e as propriedades físicas gerais do tecido e os tipos de células e materiais de suporte/nutrientes que serão utilizados. Com o contorno da estrutura definido, ferramentas CAD especializadas são usadas para criar um modelo 3D altamente detalhado da estrutura. Uma biotinta apropriada é então selecionada ou criada, contendo a mistura estrutural, de endurecimento e de nutrientes apropriada para os tecidos a serem cultivados. A selecção e cultivo de células in vitro é o passo mais delicado, envolvendo a incubação e o incentivo à reprodução de células num meio de cultura sob condições rigorosamente controladas, para garantir a sua viabilidade e suficiência.

2. Bioimpressão

A bioimpressão é a etapa final de realização que realiza o trabalho fundamental e constrói a amostra de tecido necessária. Ele está pronto para incubação e usos planejados para avaliação de medicamentos, testes de toxicidade ou implante em pacientes. A amostra de tecido é construída por métodos estereolitográficos ou pela auto-organização que foi projetada no plano.

3. Pós-Bioimpressão

Após a bioimpressão, existem várias etapas críticas de processamento que garantem a função e a viabilidade do tecido construído. Primeiro, o material da matriz impressa deve ser reticulado para criar uma estrutura robusta e estável. Vários métodos estão disponíveis, normalmente cura por UV, tratamento térmico e agentes químicos aplicados externamente. A maturação/incubação permite então que as células se dividam e se diferenciem. Condições ambientais rigorosamente controladas são necessárias para que isso aconteça. Durante a maturação, e novamente uma vez amadurecidas, a viabilidade das células é avaliada para garantir que estejam desempenhando as funções pretendidas. Após a maturação, o tecido construído é caracterizado para determinar seu caráter físico, biológico e bioquímico. Este processo utiliza técnicas como histologia ou imuno-histoquímica para avaliar o comportamento do tecido. Finalmente, o tecido bioimpresso será testado para garantir que está funcionando conforme o esperado. Está disponível uma ampla gama de testes possíveis, adequados a tipos específicos de tecidos.

Quais são as aplicações da bioimpressão 3D?

A bioimpressão tem uma lista crescente de aplicações, mas as principais funções que ela atende neste momento estão listadas abaixo:

1. Avaliação do desempenho do medicamento e das reações adversas.
2. Testes toxicológicos.
3. Implante de paciente.

Quais são os benefícios da bioimpressão 3D?

A bioimpressão é um poderoso conjunto de técnicas que permite capacidades cada vez mais poderosas na maioria das áreas de saúde de pacientes, desenvolvimento de medicamentos, meio ambiente e testes de toxicidade. Listamos abaixo alguns de seus benefícios:

1. Permite a construção precisa de estruturas de tecidos complexos.
2. Pode ser usado para criar modelos 3D de órgãos para testes de drogas. Isso permite testes de formulações de medicamentos mais rápidos e com menos restrições éticas.
3. Reduz a necessidade de testes em animais.
4. Pode criar implantes personalizados, adaptados às necessidades específicas de um paciente.
5. Pode construir tecidos e órgãos vivos para transplante, embora esta capacidade ainda esteja limitada a estruturas simples. Eles serão construídos a partir das células do paciente, portanto a rejeição é mínima.

Quais são as limitações da bioimpressão 3D?

A bioimpressão tem limitações severas que são objeto de extensa pesquisa, incluindo:

1. Atualmente não é possível imprimir tecidos e órgãos complexos com vários tipos de células, vasos sanguíneos e nervos.
2. Os materiais de bioimpressão são caros e difíceis de produzir.
3. A mecânica dos processos de impressão muitas vezes danifica ou destrói células. Isto limita a viabilidade dos tecidos impressos.
4. Ainda é uma tecnologia cara e intensamente baseada em laboratório. Utiliza equipamentos caros e requer habilidades extraordinárias.
5. Ainda não existem normas ou diretrizes amplamente aceitas. A avaliação de resultados entre métodos e grupos de pesquisa é um desafio.

Como a bioimpressão 3D impulsiona a inovação na indústria médica?

A bioimpressão deverá se tornar a principal ferramenta de cirurgia regenerativa para um amplo espectro de doenças degenerativas e condições fisiológicas. Imprimir um coração novo e funcional para substituir o coração danificado de um paciente ainda é uma perspectiva distante, mas os primeiros blocos de construção já estão no lugar. Neste momento, a bioimpressão está encurtando e reduzindo o custo dos ciclos de avaliação e certificação de medicamentos. Reduz as barreiras à entrada no mercado de novos produtos farmacêuticos.

Que tipo de impressão 3D é a bioimpressão?

A bioimpressão geralmente é baseada em métodos estereolitográficos, construindo tecidos camada por camada a partir de um arquivo 3D. A próxima revolução provavelmente moverá isso mais em direção à auto-organização, pelo menos na distribuição e posicionamento celular.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre os 8 tipos de processos de impressão 3D.

A impressão 3D e a bioimpressão 3D são a mesma coisa?

Não, a impressão 3D e a bioimpressão 3D não são a mesma coisa, mas existem áreas de semelhança. Algumas das ferramentas utilizadas na bioimpressão são intercambiáveis ​​com as do setor de prototipagem rápida. Contudo, a divergência entre os dois sectores é clara e deverá aumentar rapidamente. A bioimpressão está a ultrapassar rapidamente as limitações de complexidade do sector da prototipagem rápida, à medida que os investigadores procuram produzir resultados cada vez mais complexos e de melhor funcionamento.

Resumo

Este artigo apresentou a bioimpressão 3D, explicou-a e discutiu seus vários tipos e aplicações. Para saber mais sobre a impressão 3D em outros setores, entre em contato com um representante da Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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