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Oct 27, 2023

Bioimpressão 3D in situ com biotinta de bioconcreto

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3597 (2022) Citar este artigo

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A bioimpressão in-situ é atraente para depositar diretamente a biotinta terapêutica nos órgãos defeituosos para repará-los, especialmente para ocupações como soldados, atletas e motoristas que podem ser feridos em emergências. No entanto, a biotinta tradicional exibe limitações óbvias em seus complexos ambientes de operação. Aqui, projetamos uma biotinta de bioconcreto com microgéis carregados de células eletropulverizadas como agregado e solução precursora de metacriloil de gelatina (GelMA) como cimento. A promissora capacidade de impressão é garantida com uma ampla faixa de temperatura, beneficiando-se das propriedades reológicas robustas do agregado de microgel fotorreticulado e da fluidez do cimento GelMA. Os componentes compostos se adaptam simultaneamente à biocompatibilidade e a diferentes microambientes mecânicos dos tecidos. A forte ligação na interface tecido-hidrogel é alcançada por pontes de hidrogênio e fricção quando o cimento é fotorreticulado. Esta biotinta possui boa portabilidade e pode ser facilmente preparada em acidentes urgentes. Enquanto isso, os microgéis podem ser cultivados em mini tecidos e depois misturados como agregados de biotinta, indicando que nosso bioconcreto pode ser funcionalizado mais rapidamente do que as biotintas normais. Os resultados do reparo de defeitos cranianos comprovam a superioridade desta biotinta e seu potencial em ambientes clínicos necessários no tratamento in-situ.

Como tratamento emergente de defeitos de órgãos, a "bioimpressão in situ"1 inicialmente proposta por Campbell2. vem chamando a atenção na clínica. Em resumo, a biotinta terapêutica é depositada diretamente nas feridas dos pacientes por bioimpressoras cirúrgicas ao longo de caminhos de acordo com suas morfologias 3D3. Atualmente, utiliza principalmente métodos semelhantes para bioimpressão in vitro e tem sido aplicado em tratamentos de pele, cartilagem e ossos4. Comparado ao implante de órgãos baseado em bioimpressão 3D in vitro, ele apresenta mais vantagens por seu recurso de deposição in situ (Nota Complementar 1).

No entanto, a bioimpressão in situ é rudimentar e tem sido restrita em aplicações clínicas. Além da falta de bioimpressoras in situ4 confiáveis, uma das principais razões é que há biotinta menos adequada para atender a seus requisitos especiais. Em estudos relevantes existentes, a biotinta aplicada é mais semelhante à bioimpressão in vitro, ou seja, solução precursora, que não é uma escolha promissora para bioimpressão in situ. (i) Na maioria dos casos de bioimpressão in situ, não há condições de controlar rigorosamente as propriedades reológicas da biotinta, especialmente da biotinta termossensível. (ii) Ao contrário dos porões receptores com superfície limpa e temperatura controlável nas bioimpressoras in vitro, a bioimpressão in situ possui um porão receptor especial, ou seja, as feridas do paciente com temperatura constante (37 °C) e sangue, que podem colapsar o impresso estrutura antes da reticulação. (iii) A biotinta reticulada deve possuir baixo módulo mecânico para que as células encapsuladas exerçam funções terapêuticas. (iv) As estruturas devem ter altas propriedades mecânicas compatíveis com o defeito, protegendo-se de danos durante o reparo, o que, no entanto, leva a uma enorme contradição com o requisito (iii). A construção de estruturas compostas, ou seja, a impressão de scaffolds resistentes seguida da fundição de hidrogel macio, tornou-se uma solução eficaz5,6,7,8. No entanto, um processo de impressão tão complexo não pode ser realizado na bioimpressão in situ. (v) Forte força de ligação deve ser formada na interface da estrutura impressa com defeito. (vi) A biotinta in situ deve ser portátil e facilmente preparada para ocupações como soldados, atletas e motoristas que podem ser feridos em caso de emergência.

Microgéis tornaram-se estruturas de bioimpressão populares em terapia celular9, liberação controlada de drogas10, modelagem de doenças11, etc., e muitos métodos de fabricação foram propostos12,13,14,15,16. Recentemente, além da unidade de função independente, na revisão sobre microgéis publicada na Nature Reviews por Burdick et al. 17 em 2020, foi prevista a ampla aplicação da "bioimpressão secundária"18,19,20,21 de microgéis como um componente de biotinta no futuro. No último trabalho de Alge et al. 22 publicado na Science Advances em 2021, foi apresentada uma investigação aprofundada sobre o processo de dissipação de microgéis durante a impressão. Wang et ai. 9 injetaram microgéis de alginato para reparar defeitos em órgãos de ratos. Burdick et ai. 23,24 microgéis reunidos por extrusão para estabelecer estruturas 3D específicas. Toda a pesquisa se beneficiou não apenas da promissora biocompatibilidade dos microgéis, mas também de suas propriedades reológicas únicas semelhantes ao fluido de Bingham25,26,27, que se apresenta como elastômero abaixo de certo estresse, mas flui como fluido de Newton quando o estresse aumenta ainda mais. Portanto, a biotinta à base de microgel tem o potencial de ser projetada como uma nova biotinta de bioimpressão clínica in-situ para adaptar os requisitos complicados.