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Los bioenlaces son materiales que se utilizan para producir tejido vivo diseñado / artificial mediante impresión 3D . Estas tintas se componen principalmente de las celdas que se utilizan, pero a menudo se usan en conjunto con materiales adicionales que envuelven las celdas. La combinación de células y generalmente geles de biopolímero se define como una tinta biológica. Deben reunir ciertas características, entre las que se encuentran las propiedades reológicas , mecánicas, biofuncionales y de biocompatibilidad, entre otras. El uso de tintas biológicas proporciona una alta reproducibilidad y un control preciso sobre las construcciones fabricadas de forma automatizada. [1] Estas tintas se consideran una de las herramientas más avanzadas para la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa (TERM). [2]

Al igual que los termoplásticos que se utilizan a menudo en la impresión 3D tradicional , las tintas biológicas pueden extruirse a través de boquillas o agujas de impresión en filamentos que pueden mantener la fidelidad de su forma después de la deposición ( Five Types of Bioinks , 26 de abril de 2017). Sin embargo, las tintas biológicas son sensibles a las condiciones normales de procesamiento de la impresión 3D .

Diferencias con los materiales de impresión 3D tradicionales

  • Impreso a una temperatura mucho más baja (37 ° C o menos)
  • Condiciones leves de reticulación
  • Derivación natural
  • Bioactivo
  • Celular manipulable

Imprimibilidad

Las composiciones y químicas de Bioink a menudo se inspiran y derivan de biomateriales de hidrogel existentes. Sin embargo, estos biomateriales de hidrogel se desarrollaron a menudo para ser fácilmente pipeteados y vertidos en placas de pocillos y otros moldes. Es necesario alterar la composición de estos hidrogeles para permitir la formación de filamentos para su traducción como materiales bioimprimibles. Sin embargo, las propiedades únicas de los bioenlaces ofrecen nuevos desafíos para caracterizar la capacidad de impresión del material. [3]

Las técnicas tradicionales de bioimpresión implican depositar material capa por capa para crear la estructura final, pero en 2019 se introdujo un nuevo método llamado bioimpresión volumétrica. La bioimpresión volumétrica ocurre cuando una biotinta se coloca en una celda líquida y es irradiada selectivamente por una fuente de energía. Este método polimerizará activamente el material irradiado y eso comprenderá la estructura final. La fabricación de biomateriales mediante bioimpresión volumétrica de biotintas puede reducir considerablemente el tiempo de fabricación. En la ciencia de los materiales, este es un gran avance que permite generar rápidamente biomateriales personalizados. El procedimiento debe desarrollarse y estudiarse clínicamente antes de que se puedan realizar avances importantes en la industria de la bioimpresión. [4]

A diferencia de los materiales de impresión 3D tradicionales, como los termoplásticos, que son esencialmente "fijos" una vez impresos, los bioenlaces son un sistema dinámico debido a su alto contenido de agua y, a menudo, a su estructura no cristalina. También debe caracterizarse la fidelidad de la forma del biotinta después de la deposición del filamento. [5] Finalmente, la presión de impresión y el diámetro de la boquilla deben tenerse en cuenta para minimizar las tensiones de cizallamiento aplicadas al bioink y cualquier celda dentro del bioink durante el proceso de impresión. Fuerzas de cizallamiento demasiado altas pueden dañar o lisar las células, lo que afecta negativamente a la viabilidad celular.

Las consideraciones importantes en la capacidad de impresión incluyen:

  • Uniformidad en el diámetro del filamento
  • Ángulos en la interacción de filamentos.
  • "Sangrado" de filamentos juntos en las intersecciones
  • Mantenimiento de la fidelidad de la forma después de la impresión pero antes de la reticulación
  • Presión de impresión y diámetro de la boquilla
  • Viscosidad de impresión
  • Propiedades de gelificación

Clasificación de tintas bio

Estructural

Las tintas biológicas estructurales se utilizan para crear el marco de la impresión deseada utilizando materiales como alginato, ECM descelularizado, gelatinas y más. A partir de la elección del material, puede controlar las propiedades mecánicas, la forma y el tamaño, y la viabilidad celular. Estos factores hacen que este tipo sea uno de los aspectos más básicos, pero sigue siendo uno de los más importantes para un diseño bioimpreso.

Sacrificio

Las tintas biológicas de sacrificio son materiales que se utilizarán como soporte durante la impresión y luego se eliminarán de la impresión para crear canales o regiones vacías dentro de la estructura exterior. Los canales y los espacios abiertos son enormemente importantes para permitir la migración celular y el transporte de nutrientes, lo que los hace útiles si se intenta diseñar una red vascular. Estos materiales deben tener propiedades específicas que dependen del material circundante que debe permanecer, como la solubilidad en agua, la degradación a ciertas temperaturas o la rápida degradación natural. Las gelatinas no reticuladas y los plurónicos son ejemplos de material de sacrificio potencial.

Funcional

Las tintas biológicas funcionales son algunas de las formas de tinta más complicadas y se utilizan para guiar el crecimiento, el desarrollo y la diferenciación celular. Esto se puede hacer integrando factores de crecimiento, señales biológicas y señales físicas como la textura y la forma de la superficie. Estos materiales podrían describirse como los más importantes, ya que son el factor más importante en el desarrollo de un tejido funcional, así como una función relacionada con la estructura.

Soporte

Las tintas de soporte se utilizan para permitir que las construcciones impresas se desarrollen y crezcan hasta el punto en que puedan sostenerse por sí mismas en algunas situaciones. Las estructuras bioimpresas pueden ser extremadamente frágiles y endebles debido a estructuras intrincadas y voladizos en el período inicial después de la impresión, estas estructuras de soporte les dan la oportunidad de salir de esa fase. Una vez que la construcción es autosuficiente, estos se pueden quitar. En otras situaciones, como la introducción de la construcción en un biorreactor después de la impresión, estas estructuras se pueden utilizar para permitir una interfaz sencilla con los sistemas utilizados para desarrollar el tejido a un ritmo más rápido.

4-D

Las tintas biológicas 4-D son el futuro del campo de la bioimpresión, son del tipo que nos permitirá tener sistemas de tejidos de alto funcionamiento. Sus características dependen del estímulo al que se les presente, por ejemplo, una futura tinta biológica sensible a la electricidad que podría contraerse y relajarse basándose en impulsos eléctricos creando tejido muscular funcional. Estos materiales futuros tienen el potencial de revolucionar la forma en que vemos la ingeniería de tejidos y la industria médica en su conjunto al acercarnos cada vez más al objetivo de imprimir un órgano viable para un paciente.

[6]

Bio-tintas a base de hidrogel

Los hidrogeles son materiales útiles en la bioimpresión, ya que muestran propiedades físicas relevantes para la impresión mientras mantienen un alto nivel de hidratación, lo que es beneficioso para las células contenidas en la tinta. [7] Algunos hidrogeles también exhiben un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento, que potencialmente puede mitigar el alto cizallamiento causado por el proceso de impresión y ayuda a la extrusión. Los hidrogeles imprimibles pueden comprender componentes de base sintéticos o de origen natural, encontrando el uso más común polímeros sintéticos, polisacáridos, materiales basados ​​en proteínas y péptidos. Para ajustar las propiedades de un bioenlace a un método de impresión particular, estos materiales se pueden usar en formulaciones de un solo componente o de múltiples componentes.

Polisacáridos

Alginato

El alginato es un biopolímero derivado naturalmente de la pared celular de las algas pardas que ha sido ampliamente utilizado en biomedicina debido a su biocompatibilidad, baja citotoxicidad, proceso de gelificación suave y bajo costo. Los alginatos son particularmente adecuados para la bioimpresión debido a sus suaves condiciones de reticulación mediante la incorporación de iones divalentes como el calcio. Estos materiales se han adoptado como bioenlaces aumentando su viscosidad. [8] Además, estos bioenlaces a base de alginato se pueden mezclar con otros materiales como la nanocelulosa para su aplicación en tejidos como el cartílago. [9]

Dado que la gelificación rápida conduce a una buena capacidad de impresión, la bioimpresión utiliza principalmente alginato , alginato modificado solo o alginato mezclado con otros biomateriales . El alginato se ha convertido en el polímero natural más utilizado para la bioimpresión y probablemente sea el material de elección más común para los estudios in vivo .

Goma Gellan

La goma gellan es un polisacárido aniónico hidrófilo y de alto peso molecular producido por bacterias. Es muy similar al alginato y puede formar un hidrogel a bajas temperaturas. Incluso está aprobado para su uso en alimentos por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA). La goma gellan se utiliza principalmente como agente gelificante y estabilizador. Sin embargo, casi nunca se utiliza solo con fines de bioimpresión. [1]

Agarosa

La agarosa es un polisacárido extraído de algas marinas y algas rojas. Se utiliza comúnmente en aplicaciones de electroforesis así como en ingeniería de tejidos por sus propiedades gelificantes. Las temperaturas de fusión y gelificación de la agarosa se pueden modificar químicamente, lo que a su vez mejora su capacidad de impresión. Tener una tinta biológica que pueda modificarse para adaptarse a una necesidad y condición específicas es ideal.

Bio-tintas a base de proteínas

Gelatina

La gelatina se ha utilizado ampliamente como biomaterial para tejidos diseñados. La formación de armazones de gelatina está dictada por los entrelazamientos físicos de la cadena del material que forma un gel a bajas temperaturas. Sin embargo, a temperaturas fisiológicas, la viscosidad de la gelatina desciende significativamente. La metacrilación de gelatina es un enfoque común para la fabricación de armazones de gelatina que se pueden imprimir y mantener la fidelidad de la forma a temperatura fisiológica. [10]

Colágeno

El colágeno es la principal proteína de la matriz extracelular de las células de los mamíferos. Debido a esto, el colágeno posee biocompatibilidad y propiedades fisicoquímicas que se adaptan a los tejidos . Además de esto, el colágeno ya se ha utilizado en aplicaciones biomédicas . Algunos estudios en los que se ha utilizado el colágeno son el tejido de la piel, el tejido muscular e incluso el tejido óseo. [1]

Polímeros sintéticos

Pluronics

Pluronics se ha utilizado en aplicaciones de impresión debido a sus propiedades únicas de gelificación. [11] Por debajo de las temperaturas fisiológicas, los pluronics exhiben baja viscosidad. Sin embargo, a temperaturas fisiológicas, los pluronics forman un gel. Sin embargo, el gel formado está dominado por interacciones físicas. Puede formarse una red de base plurónica más permanente mediante la modificación de la cadena plurónica con grupos acrilato que pueden reticularse químicamente. [12]

PEG

El polietilenglicol (PEG) es un polímero sintético sintetizado por polimerización con óxido de etileno . Es un material sintético favorable debido a sus propiedades mecánicas adaptables pero típicamente fuertes. [1] Las ventajas de PEG también incluyen no citotoxicidad y no inmunogenicidad. Sin embargo, el PEG es bioinerte y debe combinarse con otros hidrogeles biológicamente activos.

Otras tintas biológicas

ECM descelularizado

Los enlaces biológicos basados ​​en matriz extracelular descelularizada pueden derivarse de casi cualquier tejido de mamífero. Sin embargo, a menudo órganos como el corazón, los músculos, los cartílagos, los huesos y la grasa se descelularizan, liofilizan y pulverizan para crear una matriz soluble que luego se puede formar en geles. [13] Estos bioenlaces poseen varias ventajas sobre otros materiales debido a su derivación de tejido maduro. Estos materiales consisten en una mezcla compleja de proteínas decorativas y estructurales de ECM específicas de su origen tisular. Por lo tanto, los bioenlaces derivados de dECM están especialmente diseñados para proporcionar señales específicas de tejido a las células. A menudo, estos bioenlaces se reticulan mediante gelificación térmica o reticulación química, como mediante el uso de riboflavina. [14]

Ver también

  • Impresión 3d
  • Bioimpresión 3D
  • Lista de fabricantes de impresoras 3D
  • Lista de modelos de prueba 3D comunes
  • Lista de tecnologías emergentes
  • Lista de piezas y armas impresas en 3D notables
  • Órgano en un chip

Referencias

  1. ^ Xiaolin, Cui; et al. (30 de abril de 2020). "Avances en bioimpresión 3D de extrusión: un enfoque en bioenlaces basados ​​en hidrogel multicomponente". Materiales avanzados para el cuidado de la salud . 9 (15): e1901648. doi : 10.1002 / adhm.201901648 . PMID 32352649 . 
  2. ^ Hölzl, Katja; Lin, Shengmao; Tytgat, Liesbeth; Van Vlierberghe, Sandra; Gu, Linxia; Ovsianikov, Aleksandr (23 de septiembre de 2016). "Propiedades de Bioink antes, durante y después de la bioimpresión 3D" . Biofabricación . 8 (3): 032002. Código bibliográfico : 2016BioFa ... 8c2002H . doi : 10.1088 / 1758-5090 / 8/3/032002 . PMID 27658612 . 
  3. ^ Bernal, Paulina Nuñez; Delrot, Paul; Loterie, Damien; Li, Yang; Malda, Jos; Moser, Christophe; Levato, Riccardo (2019). "Bioimpresión volumétrica de construcciones complejas de tejido vivo en segundos" . Materiales avanzados . 31 (42): 1904209. doi : 10.1002 / adma.201904209 . ISSN 1521-4095 . PMID 31423698 .  
  4. ^ Ouyang, Liliang (2016). "Efecto de las propiedades del bioenlace sobre la imprimibilidad y la viabilidad celular para el bioplotting 3D de células madre embrionarias". Biofabricación . 8 (3): 035020. Bibcode : 2016BioFa ... 8c5020O . doi : 10.1088 / 1758-5090 / 8/3/035020 . PMID 27634915 . 
  5. ^ ( Cinco tipos de bioenlaces , 26 de abril de 2017)
  6. ^ https://www.biogelx.com/compatibility-applications-and-future-of-peptide-based-bioinks/
  7. ^ Jia, Jia (2014). "Ingeniería de alginato como bioenlace para bioimpresión" . Acta Biomaterialia . 10 (10): 4323–4331. doi : 10.1016 / j.actbio.2014.06.034 . PMC 4350909 . PMID 24998183 .  
  8. ^ Markstedt, Kajsa (2015). "Condrocitos humanos de bioimpresión 3D con Bioink de nanocelulosa-alginato para aplicaciones de ingeniería de tejidos de cartílago". Biomacromoléculas . 16 (5): 1489–1496. doi : 10.1021 / acs.biomac.5b00188 . PMID 25806996 . 
  9. ^ Hoch, Eva (2013). "Adaptación química de la gelatina para ajustar sus propiedades químicas y físicas para la bioimpresión funcional" . Diario de Química de Materiales B . 1 (41): 5675–5685. doi : 10.1039 / c3tb20745e . PMID 32261191 . 
  10. ^ Tirnaksiz, Figen (2005). "Propiedades reológicas, mucoadhesivas y de liberación del gel pluronic F-127 y los sistemas de gel mixto pluronic F-127 / policarbofilo". Die Pharmazie . 60 (7): 518–23. PMID 16076078 . 
  11. ^ Müller, Michael (2015). "Hidrogeles plurónicos nanoestructurados como bioenlaces para bioimpresión 3D". Biofabricación . 7 (3): 035006. Bibcode : 2015BioFa ... 7c5006M . doi : 10.1088 / 1758-5090 / 7/3/035006 . PMID 26260872 . 
  12. ^ Pati, Falguni (2014). "Impresión de análogos de tejido tridimensionales con bioenlace de matriz extracelular descelularizada" . Comunicaciones de la naturaleza . 5 (5): 3935. Bibcode : 2014NatCo ... 5.3935P . doi : 10.1038 / ncomms4935 . PMC 4059935 . PMID 24887553 .  
  13. ^ Jang, Jinah (2016). "Adaptación de las propiedades mecánicas de bioenlace de matriz extracelular descelularizada por foto-reticulación inducida por vitamina B2". Acta Biomaterialia . 33 : 88–95. doi : 10.1016 / j.actbio.2016.01.013 . PMID 26774760 . 

Enlaces externos