Noções básicas sobre bioprinting e suas aplicações

Bioprinting, um tipo de impressao 3D, usa células e outros materiais biológicos como "tintas" para fabricar estruturas biológicas em 3D. Os materiais bioprimidos têm o potencial de reparar órgãos, células e tecidos danificados no corpo humano. No futuro, a bioimpressão pode ser usada para construir órgãos inteiros a partir do zero, uma possibilidade que pode transformar o campo da bioimpressão.

Pesquisadores estudaram a bioprinting de diferentes tipos de células, incluindo células-tronco, células musculares e células endoteliais. Vários fatores determinam se um material pode ou não ser bio-impresso. Primeiro, os materiais biológicos devem ser biocompatíveis com os materiais da tinta e da própria impressora. Além disso, as propriedades mecânicas da estrutura impressa, bem como o tempo necessário para o órgão ou tecido amadurecer, também afetam o processo.

Os bioinks geralmente se enquadram em um de dois tipos:

• Géis à base de água, ou hidrogéis, atuam como estruturas 3D nas quais as células podem prosperar. Os hidrogéis contendo células são impressos em formas definidas, e as
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  polímeros nos hidrogéis são unidos ou "reticulados" para que o gel impresso fique mais forte. Esses polímeros podem ser naturalmente derivados ou sintéticos, mas devem ser compatíveis com as células.
• Agregados de células que se fundem espontaneamente em tecidos após a impressão.

O processo de bioimpressão possui muitas semelhanças com o processo de impressão 3D. A bioimpressão geralmente é dividida nas seguintes etapas:

• Pré-processando: É preparado um modelo 3D baseado na reconstrução digital do órgão ou tecido a ser bioprimido. Essa reconstrução pode ser criada com base em imagens capturadas de forma não invasiva (por exemplo, com um Ressonância magnética) ou através de um processo mais invasivo, como uma série de fatias bidimensionais fotografadas com raios-X.
• Em processamento: O tecido ou órgão baseado no modelo 3D na fase de pré-processamento é impresso. Como em outros tipos de impressão 3D, camadas de material são adicionadas sucessivamente para imprimir o material.
• Pós-processamento: Os procedimentos necessários são executados para transformar a impressão em um órgão ou tecido funcional. Esses procedimentos podem incluir a colocação da impressão em uma câmara especial que ajude as células a amadurecer adequadamente e mais rapidamente.

Como em outros tipos de impressão 3D, os bioinks podem ser impressos de várias maneiras diferentes. Cada método tem suas próprias vantagens e desvantagens.

• Bioprinting à base de jato de tinta atua de maneira semelhante a uma impressora a jato de tinta de escritório. Quando um desenho é impresso com uma impressora jato de tinta, a tinta é disparada através de muitos bicos minúsculos no papel. Isso cria uma imagem feita de muitas gotículas que são tão pequenas que não são visíveis aos olhos. Pesquisadores adaptaram a impressão a jato de tinta para bioprinting, incluindo métodos que usam calor ou vibração para empurrar a tinta pelos bicos. Essas bioprotetoras são mais acessíveis que outras técnicas, mas estão limitadas a bioinks de baixa viscosidade, que por sua vez podem restringir os tipos de materiais que podem ser impressos.
• Assistido por laserbioprinting usa um laser para mover células de uma solução para uma superfície com alta precisão. O laser aquece parte da solução, criando uma bolsa de ar e deslocando as células em direção a uma superfície. Como essa técnica não requer bicos pequenos, como na bioproteção à base de jato de tinta, materiais de maior viscosidade, que não podem fluir facilmente através dos bicos, podem ser usados. A bioimpressão assistida por laser também permite impressões de alta precisão. No entanto, o calor do laser pode danificar as células que estão sendo impressas. Além disso, a técnica não pode ser facilmente "ampliada" para imprimir rapidamente estruturas em grandes quantidades.
• Bioprinting à base de extrusão usa pressão para forçar o material a sair de um bico para criar formas fixas. Este método é relativamente versátil: biomateriais com diferentes viscosidades podem ser impressos por ajustar a pressão, embora seja necessário tomar cuidado, pois pressões mais altas têm mais probabilidade de danificar a células. A bioimpressão baseada em extrusão provavelmente pode ser ampliada para fabricação, mas pode não ser tão precisa quanto outras técnicas.
• Bioprocessadores por electropulverização e eletrofiação faça uso de campos elétricos para criar gotículas ou fibras, respectivamente. Esses métodos podem ter precisão de nível nanométrico. No entanto, eles utilizam voltagem muito alta, o que pode não ser seguro para as células.

Como a bioimpressão permite a construção precisa de estruturas biológicas, a técnica pode encontrar muitos usos na biomedicina. Os pesquisadores usaram a bioimpressão para introduzir células para ajudar a reparar o coração após um ataque cardíaco, além de depositar células na pele ou cartilagem ferida. A bioimpressão tem sido usada para fabricar válvulas cardíacas para possível uso em pacientes com doenças cardíacas, construir tecidos musculares e ósseos e ajudar a reparar nervos.

Embora seja necessário fazer mais trabalho para determinar como esses resultados funcionariam em um ambiente clínico, a pesquisa mostra que a bioimpressão pode ser usada para ajudar a regenerar tecidos durante a cirurgia ou após prejuízo. No futuro, as bioprotetoras também permitirão que órgãos inteiros, como fígados ou corações, sejam produzidos do zero e usados ​​em transplantes de órgãos.

Além da bioprinting 3D, alguns grupos também examinaram a bioprinting 4D, que leva em consideração a quarta dimensão do tempo. A bioimpressão 4D é baseada na ideia de que as estruturas 3D impressas podem continuar a evoluir ao longo do tempo, mesmo depois de impressas. As estruturas podem, assim, mudar de forma e / ou de função quando expostas ao estímulo certo, como o calor. A bioimpressão 4D pode ser útil em áreas biomédicas, como a fabricação de vasos sanguíneos, aproveitando como algumas construções biológicas se dobram e rolam.

Embora a bioimpressão possa ajudar a salvar muitas vidas no futuro, vários desafios ainda precisam ser enfrentados. Por exemplo, as estruturas impressas podem ser fracas e incapazes de manter sua forma após serem transferidas para o local apropriado no corpo. Além disso, tecidos e órgãos são complexos, contendo muitos tipos diferentes de células organizadas de maneiras muito precisas. As tecnologias de impressão atuais podem não ser capazes de replicar essas arquiteturas complexas.

Finalmente, as técnicas existentes também são limitadas a certos tipos de materiais, uma gama limitada de viscosidades e precisão limitada. Cada técnica tem o potencial de causar danos às células e outros materiais sendo impressos. Essas questões serão abordadas à medida que os pesquisadores continuarem desenvolvendo a bioimpressão para enfrentar problemas médicos e de engenharia cada vez mais difíceis.

• Bater, bombear células cardíacas geradas usando impressora 3D pode ajudar pacientes com ataques cardíacos, Sophie Scott e Rebecca Armitage, ABC.
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