Las biotintas son materiales que se utilizan para producir tejido vivo artificial/diseñado mediante impresión 3D . Estas tintas se componen principalmente de las células que se utilizan, pero a menudo se utilizan junto con materiales adicionales que envuelven las células. La combinación de células y normalmente geles de biopolímeros se define como biotinta. Deben cumplir ciertas características, entre ellas propiedades reológicas , mecánicas, biofuncionales y de biocompatibilidad, entre otras. El uso de biotintas 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 biotintas se pueden extruir a través de boquillas o agujas de impresión en filamentos que pueden mantener su fidelidad de forma después de la deposición. Sin embargo, la biotinta es sensible a las condiciones normales de procesamiento de la impresión 3D .
Diferencias con los materiales tradicionales de impresión 3D
Las composiciones y químicas de las biotintas a menudo se inspiran y derivan de biomateriales de hidrogel existentes. Sin embargo, estos biomateriales de hidrogel a menudo se desarrollaron para pipetearlos y moldearlos fácilmente 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 las biotintas ofrecen nuevos desafíos a la hora de caracterizar 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 se coloca una biotinta en una celda líquida y se irradia selectivamente mediante una fuente de energía. Este método polimerizará activamente el material irradiado y constituirá 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, se trata de 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. [5]
A diferencia de los materiales tradicionales de impresión 3D, como los termoplásticos, que esencialmente se "fijan" una vez impresos, las biotintas son un sistema dinámico debido a su alto contenido de agua y su estructura, a menudo, no cristalina. También se debe caracterizar la fidelidad de la forma de la biotinta después de la deposición del filamento. [6] Finalmente, se deben tener en cuenta la presión de impresión y el diámetro de la boquilla para minimizar las tensiones de corte ejercidas sobre la biotinta y sobre cualquier célula dentro de la biotinta durante el proceso de impresión. Fuerzas de corte demasiado altas pueden dañar o lisar las células, afectando negativamente a la viabilidad celular.
Las consideraciones importantes sobre la imprimibilidad incluyen:
Las biotintas estructurales se utilizan para crear el marco de la impresión deseada utilizando materiales como alginato, ECM descelularizada, gelatinas y más. A partir de la elección del material se pueden controlar las propiedades mecánicas, la forma y el tamaño, y la viabilidad celular. Estos factores hacen de este tipo uno de los aspectos más básicos, pero aún así uno de los más importantes, de un diseño bioimpreso.
Las biotintas 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 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 bajo ciertas temperaturas o la rápida degradación natural. Las gelatinas no reticuladas y los plurónicos son ejemplos de material de sacrificio potencial.
Las biotintas funcionales son algunas de las formas más complicadas de tinta 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 y de una función estructural relacionada.
Las estructuras bioimpresas pueden ser extremadamente frágiles y endebles debido a estructuras intrincadas y voladizos en el período inicial posterior a la impresión. Estas estructuras de apoyo les dan la oportunidad de salir de esa fase. Una vez que la construcción se sostiene por sí misma, se pueden eliminar. En otras situaciones, como la introducción de la construcción en un biorreactor después de la impresión, estas estructuras se pueden usar para permitir una interfaz sencilla con los sistemas utilizados para desarrollar el tejido a un ritmo más rápido.
El alginato es un biopolímero derivado naturalmente 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 suaves condiciones de reticulación mediante la incorporación de iones divalentes como el calcio. Estos materiales se han adoptado como biotintas aumentando 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 conduce a 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 probablemente sea el material de elección más común para estudios in vivo .
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 Medicamentos 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]
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 imprimibilidad. Lo ideal es tener una biotinta que pueda modificarse para adaptarse a una necesidad y condición específicas.
La gelatina se ha utilizado ampliamente como biomaterial para tejidos diseñados. La formación de estructuras de gelatina está dictada por los entrelazamientos físicos de las cadenas del material que forman un gel a bajas temperaturas. Sin embargo, a temperaturas fisiológicas, la viscosidad de la gelatina disminuye 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. [9]
El colágeno es la proteína principal de la matriz extracelular de las células de los mamíferos. Debido a esto, el colágeno posee propiedades fisicoquímicas y biocompatibilidad que se adaptan a los tejidos. Además, el colágeno ya se ha utilizado en aplicaciones biomédicas . Algunos estudios en los que se ha utilizado el colágeno son tejidos de piel, tejidos musculares e incluso tejidos óseos diseñados. [1]
Los pluronics se han utilizado en aplicaciones de impresión debido a sus propiedades de gelificación únicas. [10] Por debajo de temperaturas fisiológicas, los plurónicos presentan una baja viscosidad. Sin embargo, a temperaturas fisiológicas, los plurónicos forman un gel. Sin embargo, el gel formado está dominado por interacciones físicas. Se puede formar una red de base plurónica más permanente mediante la modificación de la cadena plurónica con grupos acrilato que pueden estar entrecruzados químicamente. [11]
El polietilenglicol (PEG) es un polímero sintético sintetizado mediante polimerización de óxido de etileno . Es un material sintético favorable debido a sus propiedades mecánicas adaptables pero típicamente fuertes. [1] Las ventajas del PEG también incluyen la no citotoxicidad y la no inmunogenicidad. Sin embargo, el PEG es bioinerte y debe combinarse con otros hidrogeles biológicamente activos.
Los bioenlaces basados en matriz extracelular descelularizada pueden derivarse de casi cualquier tejido de mamífero. 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. [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 MEC específicas de su origen tisular y proporcionan señales específicas de 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, alginato, para mejorar la capacidad de impresión de la ECM descelularizada. [14]