Las biotintas son materiales que se utilizan para producir tejido vivo artificial mediante impresión 3D . Estas tintas están compuestas principalmente por las células que se están utilizando, pero a menudo se utilizan junto con materiales adicionales que envuelven las células. La combinación de células y, por lo general, geles de biopolímeros se define como una biotinta. Deben cumplir ciertas características, incluidas las 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 manera 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 para formar filamentos que pueden mantener su fidelidad de forma después de la deposición. Sin embargo, las biotintas son sensibles a las condiciones normales de procesamiento de la impresión 3D .
Diferencias con los materiales de impresión 3D tradicionales
Las composiciones y químicas de las biotintas suelen inspirarse y derivarse de biomateriales de hidrogel existentes. Sin embargo, estos biomateriales de hidrogel se desarrollaron a menudo para que se puedan pipetear y verter fácilmente en placas de pocillos y otros moldes. Para su traducción como materiales bioimprimibles es necesario alterar la composición de estos hidrogeles para permitir la formación de filamentos. Sin embargo, las propiedades únicas de las biotintas ofrecen nuevos desafíos para caracterizar la capacidad de impresión 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 con una fuente de energía. Este método polimerizará activamente el material irradiado y eso formará la estructura final. La fabricación de biomateriales mediante bioimpresión volumétrica de biotintas puede reducir en gran medida el tiempo de fabricación. En la ciencia de los materiales, este es un 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 de impresión 3D tradicionales, como los termoplásticos, que quedan esencialmente "fijos" una vez impresos, las biotintas son un sistema dinámico debido a su alto contenido de agua y a su estructura a menudo no cristalina. También se debe caracterizar la fidelidad de forma de la biotinta después de la deposición del filamento. [6] Por último, se deben tener en cuenta la presión de impresión y el diámetro de la boquilla para minimizar las tensiones de corte que se ejercen sobre la biotinta y sobre las células dentro de esta durante el proceso de impresión. Unas fuerzas de corte demasiado altas pueden dañar o lisar las células, lo que afecta negativamente a la viabilidad celular.
Las consideraciones importantes sobre la imprimibilidad incluyen:
Las tintas biológicas estructurales se utilizan para crear la estructura de la impresión deseada utilizando materiales como alginato, ECM descelularizado, 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 que este tipo sea uno de los aspectos más básicos, pero aún así uno de los más importantes, de un diseño bioimpreso.
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 muy 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 degradación rápida natural. Las gelatinas no reticuladas y los plurónicos son ejemplos de posibles materiales de sacrificio.
Las tintas biológicas funcionales son una de las formas más complejas de tinta y se utilizan para guiar el crecimiento, el desarrollo y la diferenciación celular. Esto se puede hacer mediante la integración de 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 de la función relacionada con la estructura.
Las estructuras bioimpresas pueden ser extremadamente frágiles y endebles debido a las estructuras intrincadas y los salientes 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 se sostiene por sí sola, estas estructuras 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 fácil con los sistemas utilizados para desarrollar el tejido a un ritmo más rápido.
El alginato es un biopolímero derivado de forma natural 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 a través de la incorporación de iones divalentes como el calcio. Estos materiales se han adoptado como biotintas al aumentar su viscosidad. [7] Además, estas biotintas basadas en alginato se pueden mezclar con otros materiales como la nanocelulosa para su aplicación en tejidos como el cartílago. [8]
Dado que la gelificación rápida permite 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 es muy probablemente el material de elección más común para los 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 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]
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. Lo ideal es tener una biotinta que se pueda modificar para adaptarse a una necesidad y una condición específicas.
La gelatina se ha utilizado ampliamente como biomaterial para la ingeniería de tejidos. La formación de estructuras de gelatina está determinada por los enredos 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 la gelatina es un método común para la fabricación de estructuras de gelatina que se pueden imprimir y mantener la fidelidad de forma a temperatura fisiológica. [9]
El colágeno es la proteína principal de la matriz extracelular de las células de los mamíferos. Por ello, 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 colágeno han sido en ingeniería de tejidos cutáneos, musculares e incluso óseos. [1]
Los plurónicos se han utilizado en aplicaciones de impresión debido a sus propiedades únicas de gelificación. [10] Por debajo de las temperaturas fisiológicas, los plurónicos exhiben 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 basada en plurónicos más permanente a través de la modificación de la cadena de plurónicos con grupos de acrilato que pueden estar reticulados químicamente. [11]
El polietilenglicol (PEG) es un polímero sintético sintetizado por polimerización de óxido de etileno . Es un material sintético favorable debido a sus propiedades mecánicas adaptables pero generalmente 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.
Las biotintas basadas en la matriz extracelular descelularizada pueden derivarse de casi cualquier tejido de mamífero. Órganos como el corazón, músculo, cartílago, hueso y grasa se descelularizan, liofilizan y pulverizan para crear una matriz soluble que luego se puede transformar en geles. [12] Estas biotintas poseen varias ventajas sobre otros materiales debido a que derivan de tejido maduro. Consisten en una mezcla compleja de proteínas estructurales y decorativas de la matriz extracelular 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 matriz extracelular descelularizada. [14]