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Bioimpresión: células vivas en impresora 3D

El crecimiento de tejidos y el comportamiento de las células pueden controlarse e investigarse particularmente bien incrustando las células en un delicado marco 3D. Esto se logra utilizando métodos de impresión 3D aditivos, las llamadas técnicas de "bioimpresión".

Células que se extienden en un andamio 3D: de izquierda a derecha: semana 1, semana 3 semana 5. Arriba: configuración 3D, abajo: una sola capa.

Células que se extienden en un andamio 3D: de izquierda a derecha: semana 1, semana 3 semana 5. Arriba: configuración 3D, abajo: una sola capa. / Foto: TU Wien

EurekAlert | VIENNA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

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Sin embargo, esto implica una serie de desafíos: algunos métodos son muy imprecisos o solo permiten un período de tiempo muy corto en el que las células pueden procesarse sin sufrir daños. Además, los materiales utilizados deben ser compatibles con las células durante y después del proceso de bioimpresión 3D. Esto restringe la variedad de materiales posibles.

Ahora se ha desarrollado un proceso de bioimpresión de alta resolución con materiales completamente nuevos en TU Wien (Viena): gracias a una "bio tinta" especial para la impresora 3D, las células ahora se pueden incrustar en una matriz 3D impresa con precisión micrométrica, a una Velocidad de impresión de un metro por segundo, órdenes de magnitud más rápidas de lo posible anteriormente.

El medio ambiente importa

"El comportamiento de una célula depende crucialmente de las propiedades mecánicas, químicas y geométricas de su entorno", dice el profesor Aleksandr Ovsianikov, jefe del grupo de investigación de impresión 3D y biofabricación en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales (TU Wien). "Las estructuras en las que están incrustadas las células deben ser permeables a los nutrientes para que las células puedan sobrevivir y multiplicarse. Pero también es importante si las estructuras son rígidas o flexibles, si son estables o se degradan con el tiempo".

Es posible producir primero estructuras adecuadas y luego colonizarlas con células vivas, pero este enfoque puede dificultar la colocación de las células en el interior del andamio, y de esa manera es casi imposible lograr una distribución celular homogénea. La opción mucho mejor es incrustar las células vivas directamente en la estructura 3D durante la producción de la estructura; esta técnica se conoce como "bioimpresión".

La impresión de objetos 3D microscópicamente finos ya no es un problema hoy en día. Sin embargo, el uso de células vivas presenta a la ciencia desafíos completamente nuevos: "Hasta ahora, simplemente ha habido una falta de sustancias químicas adecuadas", dice Aleksandr Ovsianikov. "Necesita líquidos o geles que se solidifiquen precisamente donde los ilumina con un rayo láser enfocado. Sin embargo, estos materiales no deben ser dañinos para las células, y todo el proceso tiene que suceder extremadamente rápido".

Dos fotones a la vez

Para lograr una resolución extremadamente alta, los métodos de polimerización de dos fotones se han utilizado en TU Wien durante años. Este método utiliza una reacción química que solo se inicia cuando una molécula del material absorbe simultáneamente dos fotones del rayo láser. Esto solo es posible cuando el rayo láser tiene una intensidad particularmente alta. En estos puntos, la sustancia se endurece, mientras permanece líquida en todas partes. Por lo tanto, este método de dos fotones es el más adecuado para producir estructuras extremadamente finas con alta precisión.

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Sin embargo, estas técnicas de alta resolución generalmente tienen la desventaja de ser muy lentas, a menudo en el rango de micrómetros o unos pocos milímetros por segundo. En TU Wien, sin embargo, los materiales aptos para células pueden procesarse a una velocidad de más de un metro por segundo, un paso decisivo hacia adelante. Solo si todo el proceso se puede completar en unas pocas horas, hay una buena posibilidad de que las células sobrevivan y se desarrollen aún más.

Numerosas nuevas opciones

"Nuestro método ofrece muchas posibilidades para adaptar el entorno de las células", dice Aleksandr Ovsianikov. Dependiendo de cómo se construya la estructura, puede hacerse más rígida o más suave. Incluso bien, los gradientes continuos son posibles. De esta manera, es posible definir exactamente cómo debería verse la estructura para permitir el tipo deseado de crecimiento celular y migración celular. La intensidad del láser también se puede usar para determinar la facilidad con la que la estructura se degradará con el tiempo.

Ovsianikov está convencido de que este es un paso importante para la investigación celular: "Al utilizar estos andamios 3D, es posible investigar el comportamiento de las células con una precisión previamente inalcanzable. Es posible estudiar la propagación de enfermedades, y si se usan células madre , incluso es posible producir tejido a medida de esta manera".

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