Un equipo de investigadores de la Universidad de California en San Diego ha logrado avances significativos en la resolución de algunos de los desafíos más complicados en la bioimpresión de tejidos de ingeniería 3D al mismo tiempo que cumple con los requisitos clave de alta densidad celular, alta viabilidad celular y resolución de fabricación fina.

La investigación dirigida por nanoingenieros de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego se publicó en la edición del 22 de febrero de 2023 de Science Advances.

La bioimpresión se basa en la tecnología de impresión 3D, que utiliza células y biopolímeros para crear estructuras y tejidos biológicos. Los tejidos de ingeniería 3D (tejidos similares a los humanos creados en laboratorio pero funcionales hechos de células vivas y andamios de biomateriales) tienen un gran potencial para aplicaciones biomédicas, que incluyen pruebas y desarrollo de medicamentos, trasplantes de órganos, medicina regenerativa, medicina personalizada, modelado de enfermedades y más. Sus usos podrían agregar velocidad e integridad significativas al proceso de desarrollo de fármacos, además de ayudar a mitigar los desafíos asociados con la escasez de donantes de órganos y el rechazo inmunitario.

Uno de los tipos más prometedores de bioimpresión 3D se llama bioimpresión de procesamiento de luz digital (DLP). Dentro de esta rama de la bioimpresión 3D, el progreso se ha visto obstaculizado por impedimentos prácticos y técnicos. Ha resultado difícil imprimir tejidos con altas densidades celulares y estructuras finamente resueltas.

« Después de la impresión, cultivamos la construcción para permitir que las células maduren o se reorganicen en un tejido funcional. Por lo tanto, la célula es como una semilla, y cada tipo de célula tiene una densidad específica en la que son más potentes para brotar », dijo Shaochen. Chen, el profesor de nanoingeniería que dirige el equipo de investigación.

Utilizando los enfoques existentes, cuanto más densa sea la presencia de células en la biotinta, que es un polímero biocompatible utilizado en la bioimpresión 3D basada en DLP, más se dispersa la luz, lo que dificulta la resolución de la impresión.

Los investigadores redujeron diez veces este efecto de dispersión de la luz, lo que les permitió imprimir con altas densidades celulares y alta resolución gracias al agente de contraste iodixanol, un nuevo ingrediente en la biotinta.

« Usando iodixanol, desarrollamos una biotinta de índice de refracción coincidente para la bioimpresión basada en DLP para mitigar la dispersión de la luz de las células, concentrando la energía dentro del patrón de luz definido por el usuario para mejorar la fidelidad de la impresión », dijo Shangting You, un posdoctorado en nanoingeniería. becario de UC San Diego, miembro del equipo de Chen y coautor del artículo de investigación.

Durante casi dos décadas, el laboratorio de Chen ha ayudado a dirigir el desarrollo de técnicas de bioimpresión e impresión 3D basadas en DLP, ayudando a crear la base para la biofabricación 3D moderna.

Cómo funciona

La bioimpresión 3D basada en DLP utiliza un dispositivo de microespejo digital (DMD) para proyectar una sección transversal 2D del modelo 3D en la biotinta reticulable con foto. Cuando se expone a la luz, la biotinta fotoreticulable, que puede ser sintética o natural, se solidifica. Luego, una etapa motorizada eleva la biotinta unas pocas decenas de micras hasta 200 micras, lo que permite que la biotinta sin curar rellene el espacio. Cuando la siguiente sección transversal se proyecta en el biotinta, se solidifica una nueva capa y se repite el proceso.

Cuando todo va bien, una capa recién formada coincide con precisión con la forma de la sección transversal proyectada. Sin embargo, con los métodos existentes, la incorporación de células en la biotinta puede causar una dispersión de luz severa, lo que desdibuja la luz proyectada en la biotinta. Como resultado, las capas recién formadas no pueden reproducir los detalles finos de las secciones transversales proyectadas.

Ajustar el índice de refracción de la biotinta minimiza este efecto de dispersión y mejora significativamente la fabricación. La investigación de Chen Lab muestra que se puede lograr un tamaño de característica de ~50 µm en una biotinta de metacrilato de gelatina (GelMA) de índice de refracción coincidente con una densidad celular de hasta 0,1 mil millones/mL.

Este enfoque presenta algunas innovaciones técnicas novedosas, que incluyen una red vascular orgánica hueca incrustada en un tejido grueso cargado de células, lo que permite el cultivo perfundido y a largo plazo, y una forma de copo de nieve y radios para mostrar la alta resolución tanto para positivo y características negativas.

El proyecto no estuvo exento de desafíos. « Hemos desarrollado varios materiales de biotinta y varios protocolos para manejarlos », dijo Yi Xiang, estudiante de doctorado en nanoingeniería en UC San Diego, miembro del equipo de Chen y coautor del artículo de investigación. « Pero con el mayor tiempo de impresión para un tejido más grande, se amplificó cualquier inconsistencia e inestabilidad en las células y en el biomaterial. Por lo tanto, tuvimos que modificar y optimizar tanto la composición del material como los procedimientos de manejo ».

Este proyecto marca el primer uso de iodixanol como biotinta en la bioimpresión DLP, a una alta densidad celular y con largos intervalos de exposición. « Realizamos una serie de investigaciones biológicas para evaluar este impacto y desarrollamos algunos procedimientos posteriores a la impresión para disipar suficientemente el iodixanol », dijo Xiang.

Con la resolución de impresión mejorada mediada por iodixanol, se fabricó un tejido prevascularizado de alta densidad celular con un tamaño total de 17 x 11 x 3,6 mm3.

« El cultivo in vitro de un tejido tan grueso se ha visto obstaculizado por la difusión limitada de oxígeno y nutrientes », dijo Chen. « Pudimos imprimir lúmenes vasculares perfundibles incrustados en el tejido con diámetros que oscilaban entre 250 µm y 600 µm, que se interconectaron con un sistema de perfusión para cultivos a largo plazo. Demostramos que los lúmenes vasculares estaban endotelizados y el tejido grueso permanecía viable para 14 días de cultivo. »

Próximos pasos

El equipo continúa trabajando en la optimización de su sistema de materiales y parámetros de bioimpresión para la fabricación funcional de tejidos gruesos y ha presentado una patente provisional que cubre este trabajo.

Chen sugiere que los próximos pasos adicionales incluyen el desarrollo de modelos de tejido in vitro de alta densidad celular estructurados con precisión para mejorar la recapitulación histológica y funcional, con miras a la impresión de tejidos grandes de alta densidad celular para trasplantes y reemplazos de tejidos y órganos en sujetos humanos.

Artículo : « Bioimpresión 3D de alta densidad celular y alta resolución para la fabricación de tejidos vascularizados » en Science Advances

Los coautores incluyen : Shangting You*, Yi Xiang* y Henry H. Hwang, Departamento de Nanoingeniería, Universidad de California en San Diego; David B. Berry, Departamento de Cirugía Ortopédica, UC San Diego; Wisarut Kiratitanaporn, Departamento de Bioingeniería, UC San Diego; Jiaao Guan, Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, UC San Diego; Emmie Yao, Min Tang y Zheng Zhong, Departamento de Nanoingeniería, UC San Diego; Xinyue Ma, Escuela de Ciencias Biológicas, UC San Diego; Daniel Wangpraseurt, Departamento de Nanoingeniería e Institución Scripps de Oceanografía, UC San Diego; Yazhi Sun, Departamento de Nanoingeniería, UC San Diego; Ting-yu Lu, Programa de Ciencia e Ingeniería de Materiales, UC San Diego; y Shaochen Chen, Departamento de Nanoingeniería, Departamento de Bioingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, y Programa de Ciencia e Ingeniería de Materiales, UC San Diego.