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Biotinta

Las biotintas son materiales utilizados para producir tejido vivo artificial mediante impresión 3D . Estas tintas se componen principalmente de las células que se utilizan, pero...

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Las biotintas son materiales utilizados para producir tejido vivo artificial mediante impresión 3D . Estas tintas se componen principalmente de las células que se utilizan, pero a menudo se emplean junto con materiales adicionales que las envuelven. La combinación de células y, generalmente, geles de biopolímeros se define como una biotinta. Deben cumplir ciertas características, como propiedades reológicas , mecánicas, biofuncionales y de biocompatibilidad, entre otras. El uso de biotintas proporciona una alta reproducibilidad y un control preciso sobre las estructuras 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 habitualmente en la impresión 3D tradicional , las biotintas se pueden extruir a través de boquillas o agujas de impresión para formar filamentos que conservan su forma tras la deposición. Sin embargo, las biotintas son sensibles a las condiciones habituales 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 de reticulación suaves
  • Derivación natural
  • Bioactivo
  • Células manipulables

Imprimibilidad

La composición y la química de las biotintas suelen inspirarse y derivarse de biomateriales de hidrogel existentes. Sin embargo, estos biomateriales de hidrogel se desarrollaron a menudo para facilitar su pipeteo y moldeo en placas de pocillos y otros moldes. Modificar la composición de estos hidrogeles para permitir la formación de filamentos es necesario para su aplicación como materiales bioimprimibles. No obstante, las propiedades únicas de las biotintas plantean nuevos desafíos en la caracterización de la imprimibilidad del material. [ 3 ] [ 4 ]

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 se produce cuando una biotinta se coloca en una celda líquida y se irradia selectivamente con una fuente de energía. Este método polimeriza activamente el material irradiado, que conforma la estructura final. La fabricación de biomateriales mediante bioimpresión volumétrica de biotintas puede reducir considerablemente el tiempo de fabricación. En ciencia de materiales, esto representa un avance que permite generar rápidamente biomateriales personalizados. El procedimiento debe desarrollarse y estudiarse clínicamente antes de que se puedan lograr avances significativos en la industria de la bioimpresión. [ 5 ]

A diferencia de los materiales de impresión 3D tradicionales, como los termoplásticos, que quedan esencialmente "fijos" una vez impresos, las biotintas constituyen un sistema dinámico debido a su alto contenido de agua y, a menudo, a su estructura no cristalina. También es necesario caracterizar la fidelidad de la forma de la biotinta tras la deposición del filamento. [ 6 ] Por último, se debe tener en cuenta la presión de impresión y el diámetro de la boquilla para minimizar las tensiones de cizallamiento que se ejercen sobre la biotinta y sobre las células que contiene durante el proceso de impresión. Unas fuerzas de cizallamiento excesivas pueden dañar o lisar las células, afectando negativamente a su viabilidad.

Entre las consideraciones importantes para la imprimibilidad se 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 las biotintas

Estructural

Las biotintas estructurales se utilizan para crear la estructura de la impresión deseada mediante materiales como alginato, matriz extracelular descelularizada, gelatina, entre otros. La elección del material permite controlar las propiedades mecánicas, la forma, el tamaño y la viabilidad celular. Estos factores hacen de este tipo de biotinta uno de los aspectos más básicos, pero a la vez uno de los más importantes, en el diseño de bioimpresión.

Sacrificatorio

Las biotintas de sacrificio son materiales que se utilizan como soporte durante la impresión y que luego se retiran para crear canales o regiones vacías dentro de la estructura externa. Estos canales y espacios abiertos son fundamentales para la migración celular y el transporte de nutrientes, lo que los hace útiles al diseñar una red vascular. Estos materiales deben poseer propiedades específicas que dependen del material circundante que debe permanecer, como solubilidad en agua, degradación a ciertas temperaturas o degradación natural rápida. Las gelatinas no reticuladas y los plurónicos son ejemplos de posibles materiales de sacrificio.

Funcional

Las biotintas funcionales son algunas de las formas más complejas de tinta, utilizadas para guiar el crecimiento, el desarrollo y la diferenciación celular. Esto se logra mediante la integración de factores de crecimiento, señales biológicas y señales físicas como la textura y la forma de la superficie. Estos materiales son fundamentales, ya que constituyen el factor principal en el desarrollo de un tejido funcional y en el cumplimiento de funciones estructurales.

Apoyo

Las estructuras bioimpresas pueden ser extremadamente frágiles y endebles debido a su complejidad y a los salientes durante el período inicial posterior a la impresión. Estas estructuras de soporte les permiten superar esta fase. Una vez que la estructura es autoportante, se pueden retirar. En otros casos, como al introducir la estructura en un biorreactor después de la impresión, estas estructuras facilitan la integración con los sistemas utilizados para acelerar el desarrollo del tejido.

Polisacáridos

Alginato

El alginato es un biopolímero natural derivado de la pared celular de las algas pardas que se ha utilizado ampliamente 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 condiciones de reticulación suaves mediante la incorporación de iones divalentes como el calcio. Estos materiales se han adoptado como biotintas al aumentar su viscosidad. [ 7 ] Además, estas biotintas a base de alginato se pueden mezclar con otros materiales como la nanocelulosa para su aplicación en tejidos como el cartílago . [ 8 ]

Dado que la gelificación rápida favorece una buena imprimibilidad, 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 es, probablemente, el material de elección más común para estudios in vivo .

goma gellan

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

Agarosa

La agarosa es un polisacárido extraído de algas marinas y algas rojas. Se utiliza comúnmente en aplicaciones de electroforesis y en ingeniería de tejidos por sus propiedades gelificantes. Las temperaturas de fusión y gelificación de la agarosa se pueden modificar químicamente, lo que mejora su capacidad de impresión. Disponer de una biotinta que se pueda modificar para adaptarse a necesidades y condiciones específicas es ideal.

Biotintas a base de proteínas

Gelatina

La gelatina se ha utilizado ampliamente como biomaterial para tejidos artificiales. La formación de andamios de gelatina está determinada por el entrelazamiento físico de las cadenas del material, que forma un gel a bajas temperaturas. Sin embargo, a temperaturas fisiológicas, la viscosidad de la gelatina disminuye significativamente. La metacrilación de la gelatina es un método común para la fabricación de andamios de gelatina que pueden imprimirse y mantener su forma a temperatura fisiológica. [ 9 ]

Colágeno

El colágeno es la principal proteína de la matriz extracelular de las células de los mamíferos. Por ello, posee propiedades fisicoquímicas y biocompatibilidad similares a las de los tejidos. Además, el colágeno ya se utiliza en aplicaciones biomédicas . Algunos estudios en los que se ha empleado incluyen la creación de tejido cutáneo, muscular e incluso óseo. [ 1 ]

Polímeros sintéticos

Pluronics

Los plurónicos se han utilizado en aplicaciones de impresión debido a sus propiedades de gelificación únicas. [ 10 ] Por debajo de las temperaturas fisiológicas, los plurónicos presentan baja viscosidad. Sin embargo, a temperaturas fisiológicas, forman un gel. No obstante, la formación de este gel está dominada por interacciones físicas. Se puede formar una red más permanente a base de plurónicos mediante la modificación de la cadena de plurónico con grupos acrilato que pueden reticularse químicamente. [ 11 ]

CLAVIJA

El polietilenglicol (PEG) es un polímero sintético obtenido mediante la polimerización del óxido de etileno . Es un material sintético ventajoso debido a sus propiedades mecánicas, que pueden ajustarse y que suelen ser robustas. [ 1 ] Entre las ventajas del PEG también se incluyen su baja citotoxicidad y su baja inmunogenicidad. Sin embargo, el PEG es bioinerte y necesita combinarse con otros hidrogeles biológicamente activos.

Otras biotintas

Matriz extracelular descelularizada

Las biotintas basadas en matriz extracelular descelularizada pueden derivarse de casi cualquier tejido de mamífero. Órganos como el corazón, el músculo, el cartílago, el hueso y la grasa se descelularizan, liofilizan y pulverizan para crear una matriz soluble que luego puede transformarse en geles. [ 12 ] Estas biotintas poseen varias ventajas sobre otros materiales debido a su derivación de tejido maduro. Consisten en una mezcla compleja de proteínas estructurales y decorativas de la ECM específicas de su origen tisular y proporcionan señales específicas del tejido a las células. A menudo, estas biotintas se reticulan mediante gelificación térmica o reticulación química, como mediante el uso de riboflavina. [ 13 ] Se han utilizado diferentes aditivos, por ejemplo, GelMA y alginato, para mejorar la imprimibilidad de la ECM descelularizada. [ 14 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Xiaolin, Cui; et al. (30 de abril de 2020). "Avances en la bioimpresión 3D por extrusión: un enfoque en biotintas multicomponentes a base de hidrogel". Advanced Healthcare Materials . 9 (15) e1901648. doi : 10.1002/adhm.201901648 . PMID 32352649 . S2CID 217547329 .   
  2. ↑ Hölzl, Katja; Lin, Shengmao; Tytgat, Liesbeth; Van Vlierberghe, Sandra; Gu, Linxia ; Ovsianikov, Aleksandr (23 de septiembre de 2016). "Propiedades de la biotinta antes, durante y después de la bioimpresión 3D" . Biofabricación . 8 (3) 032002. Código Bib : 2016BioFa...8c2002H . doi : 10.1088/1758-5090/8/3/032002 . hdl : 1854/LU-8507720 . PMID 27658612 . 
  3. ↑ Gopinathan, J., Noh, I. Tendencias recientes en biotintas para impresión 3D. Biomater Res 22, 11 (2018). https://doi.org/10.1186/s40824-018-0122-1
  4. ↑ 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" . Advanced Materials . 31 (42) 1904209. Bibcode : 2019AdM....3104209B . doi : 10.1002/adma.201904209 . ISSN 1521-4095 . PMID 31423698 .  
  5. ↑ Ouyang, Liliang (2016). "Efecto de las propiedades de la biotinta en la imprimibilidad y la viabilidad celular para la bioimpresión 3D de células madre embrionarias". Biofabrication . 8 ( 3) 035020. Bibcode : 2016BioFa...8c5020O . doi : 10.1088/1758-5090/8/3/035020 . PMID 27634915. S2CID 3773951 .  
  6. ↑ Jia, Jia (2014). "Ingeniería de alginato como biotinta para bioimpresión" . Acta Biomaterialia . 10 (10): 4323– 4331. doi : 10.1016/j.actbio.2014.06.034 . PMC 4350909. PMID 24998183 .  
  7. ↑ Markstedt, Kajsa (2015). "Bioimpresión 3D de condrocitos humanos con biotinta de nanocelulosa-alginato para aplicaciones de ingeniería de tejido cartilaginoso". Biomacromolecules . 16 (5): 1489– 1496. doi : 10.1021/acs.biomac.5b00188 . PMID 25806996 . 
  8. ↑ Hoch, Eva (2013). "Modificación química de la gelatina para ajustar sus propiedades químicas y físicas para la bioimpresión funcional" . Journal of Materials Chemistry B. 1 ( 41): 5675– 5685. doi : 10.1039/c3tb20745e . PMID 32261191 . 
  9. ↑ Tirnaksiz, Figen (2005). "Propiedades reológicas, mucoadhesivas y de liberación del gel de pluronic F-127 y de los sistemas de gel mixto de pluronic F-127/policarbofilo". Die Pharmazie . 60 (7): 518– 23. PMID 16076078 . 
  10. ↑ Müller, Michael (2015). "Hidrogeles de Pluronic nanoestructurados como biotintas para bioimpresión 3D". Biofabrication . 7 (3) 035006. Bibcode : 2015BioFa...7c5006M . doi : 10.1088/1758-5090/7/3/035006 . PMID 26260872. S2CID 22520236 .  
  11. ↑ Pati, Falguni (2014). "Impresión de análogos de tejido tridimensionales con biotinta de matriz extracelular descelularizada" . Nature Communications . 5 (5): 3935. Bibcode : 2014NatCo...5.3935P . doi : 10.1038/ncomms4935 . PMC 4059935. PMID 24887553 .  
  12. ↑ Jang, Jinah (2016). "Adaptación de las propiedades mecánicas de la biotinta de matriz extracelular descelularizada mediante reticulación fotoinducida por vitamina B2". Acta Biomaterialia . 33 : 88–95 . doi : 10.1016/j.actbio.2016.01.013 . PMID 26774760 . 
  13. ↑ Abaci, Alperen; Guvendiren, Murat (diciembre de 2020). "Diseño de biotintas basadas en matriz extracelular descelularizada para bioimpresión 3D" . Advanced Healthcare Materials . 9 (24) e2000734. doi : 10.1002/adhm.202000734 . ISSN 2192-2640 . PMID 32691980. S2CID 220671307 .