¿Quieres imprimir un riñón en 3D? Empieza por pensar en pequeño

Los trasplantes de órganos humanos ofrecen un salvavidas crucial para las personas con enfermedades graves, pero hay muy pocos órganos para todos: solo en los EE. UU., hay más de 112,000 personas que actualmente esperan trasplantes. La promesa de imprimir órganos en 3D es una posible solución para abordar esta escasez, pero ha estado plagada de complejidad y barreras técnicas, lo que limita el tipo de órganos que se pueden imprimir. Los investigadores del Stevens Institute of Technology ahora están superando estas barreras al aprovechar una técnica de décadas de antigüedad para reproducir cualquier tipo de tejido.

El trabajo, dirigido por Robert Chang, profesor asociado en el departamento de ingeniería mecánica de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Schaefer de Stevens, podría abrir caminos para la impresión 3D de cualquier tipo de órgano en cualquier momento, incluso la piel directamente sobre una herida abierta.

«Crear nuevos órganos para ordenar y salvar vidas sin la necesidad de un donante humano será un inmenso beneficio para el cuidado de la salud», dijo Robert Chang, cuyo trabajo aparece en la edición de abril de Informes científicos. «Sin embargo, alcanzar ese objetivo es complicado porque imprimir órganos usando ‘bio-tintas’ (hidrogeles cargados con células cultivadas) requiere un grado de control fino sobre la geometría y el tamaño de la microfibra impresa que las impresoras 3D actuales simplemente no pueden lograr».

Chang y su equipo, incluido Ahmadreza Zaei, primer autor y candidato a doctorado en el laboratorio de Chang, esperan cambiar eso acelerando un nuevo proceso de impresión 3D que utiliza microfluidos, la manipulación precisa de líquidos a través de pequeños canales, para operar en un mucho más pequeño. escala de lo que ha sido posible. «La publicación reciente tiene como objetivo mejorar la capacidad de control y la previsibilidad sobre la estructura de los microtejidos y microfibras fabricados habilitados por la tecnología de bioimpresión de microfluidos», dijo Zaeri.

La mayoría de las bioimpresoras 3D actuales se basan en la extrusión y expulsan biotinta de una boquilla para crear estructuras de unas 200 micras, alrededor de una décima parte del ancho de una hebra de espagueti. Una impresora basada en microfluidos podría imprimir objetos biológicos que miden del orden de decenas de micrómetros, a la par de la escala celular única.

«La escala es muy importante porque afecta la biología del órgano», dijo Chang. «Estamos operando a la escala de las células humanas, y eso nos permite imprimir estructuras que imitan las características biológicas que estamos tratando de replicar».

Además de operar en una escala más pequeña, la microfluídica también permite que múltiples biotintas, cada una con diferentes células y precursores de tejido, se usen de manera intercambiable dentro de una sola estructura impresa, de la misma manera que una impresora convencional combina tintas de colores en una sola imagen vívida. .

Eso es importante porque, si bien los investigadores ya han creado órganos simples, como vejigas, alentando el crecimiento del tejido en andamios impresos en 3D, órganos más complejos, como hígados y riñones, requieren que se combinen con precisión muchos tipos de células diferentes. «Ser capaces de operar a esta escala, mientras se mezclan bio-tintas con precisión, nos permite reproducir cualquier tipo de tejido», dijo Chang.

La reducción de la bioimpresión 3D requiere una investigación minuciosa para descubrir exactamente cómo los diferentes parámetros del proceso, como las estructuras de los canales, la velocidad del flujo y la dinámica de fluidos, afectan las geometrías y las propiedades del material de las estructuras biológicas impresas. Para agilizar ese proceso, el equipo de Chang creó un modelo computacional de un cabezal de impresión de microfluidos, lo que les permitió ajustar la configuración y pronosticar los resultados sin la necesidad de una laboriosa experimentación en el mundo real.

«Nuestro modelo computacional avanza en una extracción de fórmulas que se puede usar para predecir los diversos parámetros geométricos de las estructuras fabricadas extruidas de los canales de microfluidos», dijo Zaeri.

Los modelos computacionales del equipo predijeron con precisión los resultados de los experimentos de microfluidos del mundo real, y Chang está utilizando su modelo para guiar los experimentos sobre las formas en que se pueden imprimir estructuras biológicas con geometrías variadas. Los resultados de este trabajo de investigación se pueden utilizar en la impresión de biotinta combinada de múltiples tipos de células que puede replicar el tejido con gradientes geométricos y propiedades de composición que se encuentran en la intersección del hueso y el músculo.

Chang también está explorando el uso de impresión 3D habilitada para microfluidos para la creación in situ de piel y otros tejidos, lo que permite a los pacientes tener tejidos de reemplazo impresos directamente en una herida. «Esta tecnología es todavía tan nueva que no sabemos con precisión qué permitirá», dijo. «Pero sabemos que abrirá la puerta a la creación de nuevas estructuras y nuevos tipos importantes de biología».