ZMESC, 06/12/2024
Por Mihai Andrei
Nos últimos anos, a impressão 3D evoluiu dramaticamente. Antes limitada a materiais como plástico ou resina, agora se estende a células humanas, possibilitando a criação de tecidos vivos. No entanto, a bioimpressão continua sendo um processo lento e limitado — até agora. Esta última inovação promete mudar isso.
Uma equipe de pesquisadores introduziu um novo sistema de bioimpressão de ponta que pode revolucionar a forma como tecidos humanos são impressos em 3D. Essa abordagem inovadora usa esferoides densos em células — pequenos agregados de células vivas — como blocos de construção fundamentais para a criação de tecidos. Notavelmente, o sistema imprime estruturas dez vezes mais rápido do que as técnicas existentes, enquanto mantém mais de 90% de viabilidade celular, permitindo até mesmo a aplicação direta em ferimentos.
Como construir uma parede de tijolos — com células humanas
A bioimpressão é muito mais complexa do que a impressão 3D convencional. Em vez de materiais inertes como plásticos ou metais, ela usa células vivas que requerem ambientes cuidadosamente controlados. Os métodos tradicionais de bioimpressão — à base de extrusão, jato de tinta ou assistidos por laser — frequentemente comprometem fatores críticos, como velocidade, precisão ou viabilidade celular.
O novo sistema, desenvolvido por pesquisadores da Penn State, é chamado de HITS-Bio (Sistema de Fabricação de Tecido Integrado de Alta Produtividade para Bioimpressão). Ele encapsula células vivas em um substrato (como um tipo especial de gel), criando um tipo de tinta biológica comumente chamada de "bioink". Depois de impressas, essas células amadurecem no tecido 3D ao longo de várias semanas. É um pouco como construir uma parede de tijolos: as células são os tijolos e a bioink é o cimento, diz Ibrahim T. Ozbolat, professor da Penn State e autor do novo estudo.
O problema com essa abordagem é que é difícil criar estruturas tão densas quanto as do corpo humano. Esferoides são promissores porque têm uma densidade celular semelhante à do tecido humano, mas é necessário colocá-los um por um, o que é lento. Além disso, os métodos existentes frequentemente danificam as estruturas celulares durante o processo de impressão.
O HITS-Bio utiliza um conjunto de bicos controlados digitalmente para posicionar simultaneamente múltiplos esferoides, superando as limitações de abordagens tradicionais que trabalham um de cada vez. A plataforma DCNA permite a montagem rápida e precisa de arquiteturas teciduais complexas, com as bioinks atuando como o "cimento".
Os pesquisadores organizaram os bicos em uma matriz de 4 por 4, essencialmente imprimindo 16 esferoides simultaneamente e posicionando-os rapidamente no substrato de bioink. A mudança é simples, mas transformadora, pois permite a criação de tecidos 3D multicamadas em uma fração do tempo exigido por métodos convencionais. Também preserva o material celular sem danificá-lo.
"Podemos então construir estruturas escaláveis muito rapidamente", disse Ozbolat. "É 10 vezes mais rápido do que as técnicas existentes e mantém mais de 90% de alta viabilidade celular."
Os pesquisadores testaram o HITS-Bio em duas aplicações médicas importantes: regeneração de tecido ósseo e fabricação de construções de cartilagem.
A equipe testou o sistema em um modelo de rato com defeitos cranianos de tamanho crítico — lesões graves no crânio que normalmente requerem intervenções cirúrgicas avançadas. Usando esferoides derivados de células-tronco de tecido adiposo humano, que foram pré-programadas para promover o crescimento ósseo, o HITS-Bio alcançou quase o fechamento completo do defeito em apenas seis semanas. Arranjos de alta densidade de esferoides levaram a impressionantes taxas de cobertura óssea de até 96%, com estudos histológicos confirmando forte mineralização e integração do novo tecido ósseo.
Em outro experimento, os pesquisadores usaram o HITS-Bio para fabricar uma construção de cartilagem de 1 cm³ a partir de 576 esferoides. Todo o processo levou menos de 40 minutos, o que é notavelmente rápido. Essas construções de cartilagem exibiram alta viabilidade celular, robusta deposição de matriz extracelular e expressão de marcadores-chave da cartilagem, tornando-se uma solução potencial para reparar defeitos volumétricos na cartilagem.
"Como entregamos as células em altas dosagens com essa técnica, isso na verdade acelerou a reparação óssea", disse Ozbolat.
Grandes implicações
As implicações do HITS-Bio são imensas. Este sistema pode bioimprimir remendos de tecido diretamente em ferimentos, como fraturas ósseas ou danos à cartilagem, transformando potencialmente as intervenções cirúrgicas. Além disso, ele pode fabricar construções de tecido personalizadas para transplantes ou tecidos funcionais em pequena escala para necessidades médicas específicas.
No entanto, desafios permanecem. Embora tenha sido bem-sucedido em modelos animais, a técnica exige extensos testes para garantir sua segurança e eficácia em humanos. Escalar o processo para tecidos humanos maiores sem perder precisão é outro obstáculo.
Apesar desses desafios, o HITS-Bio representa um grande avanço na tecnologia de bioimpressão, abrindo portas para uma produção mais rápida, confiável e escalável de tecidos vivos. Os pesquisadores agora estão trabalhando em técnicas que possam incorporar vasos sanguíneos nos tecidos fabricados, um passo necessário para produzir mais tipos de tecidos.
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