Estudio: hacer que un corazón artificial se ajuste a un ser humano, con giro de chorro rotatorio enfocado, no 3D

Durante años, los científicos especularon que los arreglos helicoidales del corazón y la musculatura compleja bombean la sangre de manera más eficiente por todo el cuerpo. Aunque gracias a la dificultad de reproducir detalles tan complejos e intrincados en corazones artificiales, la investigación de este fenómeno resultó difícil.

Sin embargo, en un nuevo estudio publicado en Ciencias, un equipo de investigadores de varias instituciones se ha unido para utilizar un método nuevo y más avanzado para fabricar tejidos y órganos artificiales. Este equipo incluía a Qihan Liu, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh.

«Es un gran desafío de fabricación hacer material que imite el tejido biológico», dijo Liu. «Los tejidos biológicos consisten en varias micro/nanofibras de alineación compleja que varía espacialmente. La disposición de estas fibras es la forma en que la naturaleza programa el rico comportamiento mecánico del tejido biológico. Sin embargo, actualmente no existe una herramienta de fabricación que pueda capturar esta disposición compleja. Mientras que el 3D común Los métodos de impresión pueden realizar fácilmente arreglos de fibra complejos, la impresión 3D no puede imprimir nanofibras a un rendimiento relevante para la ingeniería de tejidos. Mientras que las técnicas establecidas de hilado de nanofibras, como el electrohilado, pueden producir nanofibras a un alto rendimiento a nivel de producción en masa, el arreglo de fibra complejo aún no se ha realizado. .»

Por lo tanto, los investigadores propusieron el proceso de hilado por chorro rotatorio enfocado. FRJS es un método de fabricación aditiva que utiliza hilado centrífugo para formar fibras rápidamente. Posteriormente, las fibras se enfocan, alinean y depositan en ubicaciones específicas con una corriente de aire controlada. Mediante el uso de flujo de aire, este método permite manipular simultáneamente miles de micro/nanofibras, lo que garantiza un alto rendimiento. Con el flujo de aire especialmente diseñado, FRJS puede fabricar construcciones de fibra 3D que son mucho más complejas que las que pueden crear los métodos actuales.

Los investigadores comparan sus métodos con otras dos formas de producir órganos y tejidos artificiales: la impresión 3D y el hilado de fibras. Aunque la impresión 3D continúa contribuyendo con importantes avances al desarrollo de órganos y tejidos artificiales, los investigadores responden que la impresión 3D lleva demasiado tiempo para lograr el detalle y la complejidad que puede ofrecer FRJS.

Otro método utilizado actualmente es el hilado de fibra, que permite una producción más rápida pero sin tanto detalle o complejidad como FRJS. Así, los investigadores presentan FRJS como un método para realizar creaciones más complejas de forma más oportuna.

Para mostrar las posibilidades de FRJS en este contexto, los investigadores utilizaron el proceso para crear muestras, incluido un modelo de corazón humano de fibra a gran escala para mostrar la capacidad de fabricar una estructura 3D compleja, un modelo de ventrículo de doble cámara de tres capas para mostrar la capacidad para capturar la alineación de fibras complejas en tejidos biológicos y ventrículos de una sola capa con el tamaño de una rata, un gato, un ser humano y la ballena minke de 12,000 libras para mostrar la escalabilidad del proceso de fabricación. Los investigadores también demuestran cómo se pueden usar modelos como estos creados por FRJS para comprender la función de los arreglos de células helicoidales dentro del corazón.

Estos ejemplos, sin embargo, son solo una muestra de lo que se puede hacer con FRJS.

«Este documento es solo una demostración de lo que realmente se puede hacer con este método», dijo Liu. «El cielo es el limite.»

En el futuro, dijo Liu, FRJS podría usarse para recrear vasos sanguíneos, cartílagos y otros tejidos reforzados con fibra. Eso ofrecería innumerables posibilidades para imitar tejidos biológicos en robótica, ingeniería y más. El compuesto reforzado con fibra hecho con FRJS podría incluso usarse para construir automóviles y aviones con materiales reforzados con fibra más livianos que usan arreglos de fibra optimizados para manejar mejor la carga.