El azúcar en polvo es el ingrediente especial en una receta de la Universidad de Rice para imitar los vasos sanguíneos intrincados y ramificados del cuerpo en los tejidos cultivados en laboratorio.
En una investigación publicada hoy en la revista Ingeniería biomédica de la naturaleza , los bioingenieros de Rice demostraron que podían mantener vivas las células densamente empaquetadas durante dos semanas en construcciones relativamente grandes creando redes complejas de vasos sanguíneos a partir de plantillas de azúcar impreso en 3D.
"Uno de los mayores obstáculos para diseñar tejidos clínicamente relevantes es empacar una gran estructura de tejido con cientos de millones de células vivas", dijo el autor principal del estudio Ian Kinstlinger, un estudiante graduado de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice ".y nutrientes para todas las células a través 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 las ramas de los árboles. Los vasos simultáneamente se hacen más pequeños en grosor pero mayores en número a medida que se ramifican desde un tronco central, permitiendo que el oxígeno y los nutrientes se entreguen eficientemente a las células de todo el cuerpo.
"Al desarrollar nuevas tecnologías y materiales para imitar las redes vasculares naturales, nos estamos acercando al punto de que podemos proporcionar oxígeno y nutrientes a un número suficiente de células para obtener una función terapéutica significativa a largo plazo", dijo Kinstlinger.
Las plantillas de azúcar se imprimieron 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 proceso de impresión 3D que desarrollamos aquí es como hacer una crema brulee muy precisa", 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 selectiva por láser, un proceso de impresión 3D que fusiona granos de polvo diminutos en objetos 3D sólidos. En contraste con la impresión 3D de extrusión más común, donde se depositan hebras fundidas de material a través deuna boquilla, la sinterización láser funciona al fundir y fusionar suavemente pequeñas regiones en un lecho lleno de polvo seco. Tanto la extrusión como la sinterización láser crean formas 3D de una capa en 2D, pero el método láser permite la generación de estructuras que de otro modo serían propensascolapsar si se extruye, dijo.
"Hay ciertas arquitecturas, como estructuras colgantes, redes ramificadas y redes multivasculares, que realmente no puedes hacer bien con la impresión por extrusión", dijo Miller, quien demostró el concepto de plantillas de azúcar con una impresora de extrusión 3D durantesus 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 del material de azúcar", dijo.
El azúcar es especialmente útil para crear plantillas de vasos sanguíneos porque es duradero cuando está seco, y se disuelve rápidamente en agua sin dañar las células cercanas. Para fabricar tejidos, Kinstlinger utiliza una mezcla especial de azúcares para imprimir plantillas y luego llena el volumen alrededor del impresored de azúcar con una mezcla de células en gel líquido. El gel se vuelve semisólido en minutos, y luego el azúcar se disuelve y se lava para dejar un paso abierto para nutrientes y oxígeno.
"Un beneficio importante de este enfoque es la velocidad a la que podemos generar cada estructura de tejido", dijo Kinstlinger. "Podemos crear algunos de los modelos de tejido más grandes que se hayan demostrado 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 el Sistema Nervioso, un estudio de diseño que utiliza la simulación por computadora para hacer arte, joyas y artículos para el hogar únicos inspirados en patrones que se encuentran en la naturaleza.
"Estamos utilizando algoritmos inspirados en la naturaleza para crear redes funcionales para los tejidos", dijo Jessica Rosenkrantz, cofundadora y directora creativa del Sistema Nervioso y coautora del estudio. "Debido a que nuestro enfoque es algorítmico, es posible crearredes 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 cultivadas en el tejido circundante, incluidas las células de hígado de roedores llamadas hepatocitos. Los experimentos con hepatocitosse llevaron a cabo en colaboración con el bioingeniero de la Universidad de Washington UW y coautor del estudio 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: "Mostramos que la perfusión a través de las redes vasculares en 3D nos permite mantener estos grandes tejidos similares al hígado. Si bien aún existen desafíos de larga data asociados con el mantenimiento de la función de los hepatocitos, la capacidad de generar grandes volúmenes de tejido y mantener las célulasen esos volúmenes el tiempo suficiente para evaluar su función es un emocionante paso adelante ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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