¿Cómo se construyen estructuras complejas para albergar células utilizando un material tan blando como la gelatina? Los científicos de la Universidad de Rice tienen la respuesta, y representa un avance potencial para la medicina regenerativa y la investigación médica en general.
Los investigadores del laboratorio de Jeffrey Hartgerink de Rice han descubierto cómo imprimir en 3D las estructuras bien definidas utilizando una tinta peptídica de autoensamblaje. «Eventualmente, el objetivo es imprimir estructuras con células y hacer crecer tejido maduro en una placa de Petri. Estos tejidos pueden trasplantarse para tratar lesiones o usarse para aprender cómo funciona una enfermedad y probar fármacos», dijo Adam Farsheed, un estudiante graduado de bioingeniería de Rice y autor principal del estudio, que apareció en Materiales avanzados.
«Hay 20 aminoácidos naturales que forman proteínas en el cuerpo humano», dijo Farsheed. «Los aminoácidos se pueden unir en cadenas más grandes, como bloques de Lego. Cuando las cadenas de aminoácidos tienen más de 50 aminoácidos, se denominan proteínas, pero cuando estas cadenas tienen menos de 50 aminoácidos, se denominan péptidos. En este trabajo, usamos péptidos como nuestro material base en nuestras tintas de impresión 3D».
Desarrollados por Hartgerink y colaboradores, estos «péptidos multidominio» están diseñados para ser hidrofóbicos por un lado e hidrofílicos por el otro. Cuando se coloca en agua, «una de las moléculas se voltea sobre otra, creando lo que llamamos un sándwich hidrofóbico», dijo Farsheed.
Estos sándwiches se apilan unos sobre otros y forman fibras largas, que luego forman un hidrogel, un material a base de agua con una textura gelatinosa que puede ser útil para una amplia gama de aplicaciones, como la ingeniería de tejidos, la robótica blanda y el tratamiento de aguas residuales.
Los péptidos multidominio se han utilizado para la regeneración nerviosa, el tratamiento del cáncer y la cicatrización de heridas, y se ha demostrado que promueven altos niveles de infiltración celular y desarrollo de tejidos cuando se implantan en organismos vivos.
«Sabemos que los péptidos multidominio se pueden implantar de manera segura en el cuerpo», dijo Farsheed. «Pero lo que buscaba hacer en este proyecto era ir en una dirección diferente y demostrar que estos péptidos son una gran tinta para impresión 3D.
«Puede ser contradictorio ya que nuestro material es muy suave, pero reconocí que nuestros péptidos multidominio son un candidato ideal para la tinta debido a la forma en que se autoensamblan», continuó. «Nuestro material puede volver a ensamblarse después de ser deformado, de manera similar a cómo la pasta de dientes forma una fibra agradable cuando se la empuja fuera de un tubo».
La experiencia en ingeniería mecánica de Farsheed le permitió adoptar un enfoque poco convencional al probar su hipótesis.
«Tenía más un enfoque de ingeniería de fuerza bruta en el que, en lugar de modificar químicamente el material para hacerlo más apto para la impresión en 3D, probé para ver qué sucedería si simplemente agregara más material», dijo. «Aumenté la concentración unas cuatro veces y funcionó muy bien.
«Ha habido solo un puñado de intentos de imprimir en 3D utilizando otros péptidos de autoensamblaje, y ese trabajo es excelente, pero esta es la primera vez que se usa un sistema de péptidos de autoensamblaje para imprimir en 3D con éxito un sistema tan complejo». estructuras», continuó Farsheed.
Las estructuras se imprimieron con péptidos multidominio cargados positiva o negativamente, y las células musculares inmaduras colocadas en las estructuras se comportaron de manera diferente dependiendo de la carga. Las células permanecieron amontonadas sobre el sustrato con carga negativa, mientras que sobre el material cargado positivamente las células se extendieron y comenzaron a madurar.
«Muestra que podemos controlar el comportamiento celular utilizando tanto la complejidad estructural como la química», dijo Farsheed.
Hartgerink es profesor de química y bioingeniería y presidente asociado de estudios de pregrado. Farsheed es un estudiante graduado de bioingeniería y autor principal del estudio. Otros coautores del estudio son el estudiante de pregrado Adam Thomas y el estudiante de posgrado Brett Pogostin.
Los Institutos Nacionales de Salud (R01 DE021798) y el Programa de Becas de Investigación para Graduados de la Fundación Nacional de Ciencias apoyaron la investigación.
