INVESTIGACIÓN Y DISEÑO


Azúcar con láser, una dulce manera de imprimir en 3D los vasos sanguíneos

02/07/2020

CATEGORíA: Nuevos avances MARCA: Rice University



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 tejidos cultivados en laboratorio. Las complejas redes de azúcar se disuelven para crear vías para la sangre en tejidos cultivados en laboratorio.


En una investigación publicada en la revista Nature Biomedical Engineering, bioingenieros de la Universidad de Rice, en Houstoun, han demostrado 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", afirma el autor principal del estudio Ian Kinstlinger, un estudiante graduado de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice. "La entrega de suficiente oxígeno y nutrientes a 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 tejen a través de nuestros tejidos y órganos en patrones que recuerdan las ramas de los árboles. Los vasos se vuelven simultáneamente 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 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 ", apunta 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.

 

Una muestra de plantillas de vasos sanguíneos que los bioingenieros de la Universidad de Rice imprimieron en 3D usando una mezcla especial de azúcares en polvo.

(Foto por B. Martin / Rice University)

 

"El proceso de impresión 3D que desarrollamos aquí es como hacer una crema brulee muy precisa", apunta Miller, cuya inspiración original para el proyecto fue un postre intrincado.

 

Miller afirma que las estructuras complejas y detalladas son posibles gracias a la sinterización selectiva por láser, un proceso de impresión en 3D que fusiona granos de polvo diminutos en objetos sólidos en 3D. A diferencia de la impresión 3D de extrusión más común, donde las hebras fundidas de material se depositan a través de una boquilla, la sinterización láser funciona al fundir suavemente y fusionar pequeñas regiones en un lecho lleno de polvo seco. Tanto la extrusión como la sinterización láser crean formas 3D de una capa 2D a la vez, pero el método láser permite la generación de estructuras que de otro modo serían propensas al colapso si se extruye, afirma.

 

"Hay ciertas arquitecturas, como estructuras sobresalientes, redes ramificadas y redes multivasculares, que realmente no puedes hacer bien con la impresión por extrusión", afirma Miller, quien demostró el concepto de plantillas de azúcar con una impresora de extrusión 3D durante sus estudios postdoctorales en La Universidad de Pennsylvania. 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 da 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".

 

El azúcar es especialmente útil en la creación de plantillas de vasos sanguíneos porque es duradero cuando está seco 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 el azúcar se disuelve y se elimina 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", apunta Kinstlinger. "Podemos crear algunos de los modelos de tejidos más grandes hasta ahora demostrados en menos de cinco minutos".

 

Miller afirma 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 imiten 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", afirma Jessica Rosenkrantz, cofundadora y directora creativa del Sistema Nervioso y coautora del estudio. "Debido a que nuestro enfoque es algorítmico, es posible crear redes personalizadas para diferentes usos".

 

Después de crear tejidos diseñados 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 de hepatocitos se realizaron en colaboración con el bioingeniero y coautor del estudio de la Universidad de Washington (UW) Kelly Stevens, cuyo grupo de investigación se especializa en estudiar 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", afirma Stevens. "Esto lo hace increíblemente versátil".

 

“Mostramos que la perfusión a través de las redes vasculares en 3D nos permite sostener 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 células en esos volúmenes durante el tiempo suficiente para evaluar su función es un emocionante paso adelante ”, confirma Miller.

 

Stevens es profesor asistente de bioingeniería en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Washington, profesor asistente de patología en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington e investigador en el Instituto de Medicina de la UW para Medicina Regenerativa y de Células Madre.

 

Otros autores incluyen a Gisele Calderón, Karen Vásquez Ruiz, David Yalacki, Palvasha Deme, Kevin Janson, Daniel Sazer y Saarang Panchavati, todos de Rice; Sarah Saxton y Fredrik Johansson, ambos de UW; Jesse Louis-Rosenberg del Sistema Nervioso; y Karl-Dimiter Bissig del Baylor College of Medicine.

 

El trabajo fue apoyado por la Fundación Robert J. Kleberg Jr. y Helen C. Kleberg, los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto de Investigación y Prevención del Cáncer de Texas a través del Consorcio de Carcinoma Hepatocelular de Texas.

 

Fuente: www.rice.edu

 

 

Volver al listado