Azúcar soldado con láser: dulce manera de imprimir vasos sanguíneos en 3D
Una muestra de plantillas de vasos sanguíneos que la Universidad de Rice imprimió mediante bioingeniería en 3D usando una mezcla especial de azúcares en polvo. Crédito: Brandon Martin/Universidad de Rice
El azúcar en polvo es el ingrediente especial en una receta de la Universidad de Rice para imitar los intrincados vasos sanguíneos ramificados del cuerpo en tejidos cultivados en laboratorio.
En una investigación publicada hoy en la revista Nature Biomedical Engineering, los bioingenieros de Rice demostraron que podían mantener vivas células densamente empaquetadas durante dos semanas en construcciones relativamente grandes al crear redes complejas de vasos sanguíneos a partir de plantillas de azúcar impresas en 3D.
«Uno de los mayores obstáculos para la ingeniería de tejidos clínicamente relevantes es empaquetar una gran estructura de tejido con cientos de millones de células vivas», dijo el autor principal del estudio, Ian Kinstlinger, estudiante graduado de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice. «Suministrar suficiente oxígeno y nutrientes a todas las células a lo largo de ese gran volumen de tejido se convierte en un desafío monumental».
Kinstlinger explica que la naturaleza resolvió este problema a través de la evolución de redes vasculares complejas, que se entrelazan a través de nuestros tejidos y órganos en patrones que recuerdan a las ramas de los árboles. Al mismo tiempo, los vasos se vuelven más pequeños en grosor pero más grandes en número a medida que se ramifican desde un tronco central, lo que permite que el oxígeno y los nutrientes se entreguen de manera eficiente a las células de todo el cuerpo.
«Al desarrollar nuevas tecnologías y materiales para imitar redes vasculares naturales, nos estamos acercando al punto en que podemos proporcionar oxígeno y nutrientes a una cantidad suficiente de células para obtener una función terapéutica significativa a largo plazo», dijo Kinstlinger.
Las plantillas de azúcar fueron Impreso en 3D con un cortador láser modificado de código abierto en el laboratorio del coautor del estudio Jordan Miller, profesor asistente de bioingeniería en Rice.
El estudiante graduado Ian Kinstlinger prepara el sistema de sinterización selectiva por láser en Miller laboratorio de bioingeniería en la Universidad de Rice. Kinstlinger utiliza el sistema para imprimir plantillas de vasos sanguíneos en 3D a partir de azúcar en polvo. Las plantillas permiten a los bioingenieros crear tejidos cultivados en laboratorio que tengan suficiente flujo sanguíneo para sostener células densamente empaquetadas. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad de Rice
«El proceso de impresión en 3D que desarrollamos aquí es como hacer un flan muy preciso», dijo Miller, cuya inspiración original para el proyecto fue un postre intrincado.
Miller dijo que las estructuras complejas y detalladas son posibles gracias a la sinterización láser selectiva, un proceso de impresión en 3D que fusiona diminutos granos de polvo en objetos sólidos en 3D. A diferencia de la impresión 3D por extrusión más común, donde las hebras de material fundido se depositan a través de una boquilla, la sinterización por láser funciona derritiendo y fusionando suavemente pequeñas regiones en un lecho compacto de polvo seco. Tanto la extrusión como la sinterización por láser construyen formas 3D una capa 2D a la vez, pero el método láser permite la generación de estructuras que de otro modo serían propensas a colapsar si se extruyen, dijo.
«Hay hay ciertas arquitecturas, como estructuras colgantes, redes ramificadas y redes multivasculares, que realmente no se pueden hacer bien con la impresión por extrusión», dijo Miller, quien demostró el concepto de plantillas de azúcar con una impresora de extrusión 3-D durante sus estudios posdoctorales en la Universidad de Pensilvania. . Miller comenzó a trabajar en el enfoque de sinterización por láser poco después de unirse a Rice en 2013.
«La sinterización selectiva por láser nos brinda mucho más control en las tres dimensiones, lo que nos permite acceder fácilmente a topologías complejas y al mismo tiempo preservar la utilidad de el material de azúcar», dijo.
El azúcar es especialmente útil para crear plantillas de vasos sanguíneos porque es duradera cuando está seca y se disuelve rápidamente en agua sin dañar las células cercanas. Para hacer tejidos, Kinstlinger usa una mezcla especial de azúcares para imprimir plantillas y luego llena el volumen alrededor de la red de azúcar impresa con una mezcla de células en gel líquido. El gel se vuelve semisólido en cuestión de minutos y luego el azúcar se disuelve y se elimina para dejar un pasaje abierto para los nutrientes y el oxígeno.
«Un beneficio importante de este enfoque es la velocidad a la que podemos generar cada tejido estructura», dijo Kinstlinger. «Podemos crear algunos de los modelos de tejido más grandes que se han demostrado hasta ahora en menos de cinco minutos».
Miller dijo que el nuevo estudio responde a dos preguntas importantes: qué azúcares se pueden sinterizar en estructuras coherentes y qué algoritmos computacionales pueden derivar ¿Arquitecturas complejas y ramificadas que imitan a las que se encuentran en la naturaleza?
El algoritmo computacional que generó las arquitecturas vasculares en forma de árbol en el estudio fue creado en colaboración con Nervous System, un estudio de diseño que utiliza simulación por computadora para hacer arte único, joyas y artículos para el hogar inspirados en patrones que se encuentran en la naturaleza.
«Estamos usando algoritmos inspirados en la naturaleza para crear redes funcionales para los tejidos», dijo Jessica Rosenkrantz, cofundadora y directora creativa de Nervous System and coautor del estudio. «Debido a que nuestro enfoque es algorítmico, es posible crear redes personalizadas para diferentes usos».
Después de crear tejidos modelados con estas arquitecturas vasculares generadas computacionalmente, el equipo demostró la siembra de células endoteliales dentro de los canales y se centró en estudiar la supervivencia y la función de las células que crecen en el tejido circundante, incluidas las células hepáticas de roedores llamadas hepatocitos. Los experimentos con hepatocitos se realizaron en colaboración con la bioingeniera y coautora del estudio de la Universidad de Washington (UW), Kelly Stevens, cuyo grupo de investigación se especializa en el estudio de las células delicadas, que son notoriamente difíciles de mantener fuera del cuerpo.
«Este método podría usarse con una gama mucho más amplia de cócteles de materiales que muchas otras tecnologías de bioimpresión», dijo Stevens. «Esto lo hace increíblemente versátil».
Miller dijo: «Demostramos que la perfusión a través de redes vasculares tridimensionales nos permite mantener estos grandes tejidos parecidos al hígado. Si bien todavía existen desafíos de larga data asociados con el mantenimiento de los hepatocitos función, la capacidad de generar grandes volúmenes de tejido y mantener las células en esos volúmenes durante el tiempo suficiente para evaluar su función es un emocionante paso adelante».
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Los bioingenieros crean una impresora de sinterización láser de código abierto para la fabricación de biomateriales Más información: Generación de tejidos modelo con redes vasculares dendríticas a través de plantillas de carbohidratos sinterizados por láser de sacrificio, Nature Biomedical Engineering ( 2020). DOI: 10.1038/s41551-020-0566-1 , www.nature.com/articles/s41551-020-0566-1 Información de la revista: Nature Biomedical Engineering
Proporcionado por Rice University Cita: Azúcar soldada con láser: forma dulce de imprimir vasos sanguíneos en 3D (29 de junio de 2020) consultado el 31 de agosto de 2022 en https://medicalxpress.com/news/2020-06-laser-welded -sugar-sweet-d-print-blood.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.