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(Foco Nanowerk) La ingeniería de tejidos tiene como objetivo restaurar tejidos dañados combinando células, materiales diseñados y moléculas biológicamente activas. La arquitectura y composición de los andamios diseñados que apoyan el crecimiento celular son fundamentales para imitar los tejidos nativos. Los avances en la impresión 3D y el ensamblaje de múltiples materiales están permitiendo andamios sintéticos más realistas.
Los investigadores han buscado crear materiales que no sólo imiten las complejas estructuras de los tejidos biológicos sino que también puedan promover el crecimiento y la función celular. Esta fabricación de biomateriales con características a nanoescala y ensamblaje en capas sigue siendo un desafío.
Un estudio reciente publicado en Materiales funcionales avanzados (“Fabrication of Architected Biomaterials by Multilayer Co-Extrusion and Additive Manufacturing”) ha dado un paso significativo en esta dirección al emplear un enfoque de coextrusión de arriba hacia abajo para crear finas capas alternas de polímeros con impresión 3D de abajo hacia arriba para dar formas complicadas. estructuras.
En este nuevo trabajo, investigadores de la Universidad de Monash, Australia, y el Instituto de Tecnología Arts et Métiers, Francia, desarrollaron un proceso de fabricación de dos pasos. En primer lugar, utilizaron una técnica de coextrusión multicapa para crear capas finas y alternas de poli(ácido láctico) (PLA) biodegradable y poliuretano termoplástico (TPU) resistente con un espesor y una composición controlados con precisión. Los polímeros viscosos fundidos se cortaron para crear un filamento en capas con hasta 129 capas alternas de PLA y TPU.
El equipo utilizó este filamento multicapa como material de partida para la impresión 3D de modelado por deposición fundida para construir andamios de ingeniería de tejidos de formas complejas. Análisis exhaustivos demostraron que la arquitectura de las capas se conservaba durante la impresión y que las interfaces entre las fases del polímero eran continuas. Al ajustar el proceso de coextrusión, produjeron filamentos con espesores de capa individuales que oscilaban entre 14 y 350 micrómetros. Esto permitió construcciones impresas en 3D con capas de polímero a nanoescala.
Las pruebas mecánicas revelaron que ciertas arquitecturas dieron como resultado un alargamiento y ductilidad mejorados en comparación con los componentes de polímero puro. La combinación de PLA rígido y quebradizo y TPU flexible en una estructura multicapa optimizada mejoró el rendimiento general.
Los investigadores estudiaron el potencial de los filamentos poliméricos con capas alternas de PLA y TPU para la ingeniería de tejidos cardíacos. Cuando se cultivaron células del músculo cardíaco de rata (cardiomiocitos) en los andamios impresos en 3D, la estructura multicapa tuvo un fuerte impacto en la morfología, la alineación y la función de latido de las células.
Los cardiomiocitos son las células musculares que forman el tejido del músculo cardíaco, y su crecimiento y función adecuados son fundamentales para la salud del corazón. Los andamios convencionales a menudo no proporcionan el entorno necesario para que estas células prosperen. Sin embargo, la arquitectura multicapa de estos nuevos andamios mostró resultados prometedores en la mejora tanto de la morfología como de la funcionalidad de los cardiomiocitos.
En particular, los andamios con un espesor de capa intermedia de aproximadamente 20 micrones mejoraron significativamente la maduración y sincronización de los cardiomiocitos con respecto a las composiciones de polímeros individuales.
El enfoque del estudio es notable por varias razones. En primer lugar, el uso de la coextrusión permite la producción de filamentos a partir de múltiples materiales, cada uno de los cuales cumple un propósito específico. El PLA es conocido por su rigidez y biocompatibilidad, lo que lo hace ideal como soporte estructural. Por otro lado, el TPU es más flexible y puede imitar las propiedades elásticas de los tejidos biológicos. Al combinar estos materiales, los investigadores pudieron crear una estructura que ofrece lo mejor de ambos mundos: integridad estructural y flexibilidad.
En segundo lugar, la aplicación de la tecnología de impresión 3D añade otro nivel de sofisticación. La impresión 3D permite un control preciso de la geometría de la estructura, permitiendo la creación de estructuras complejas muy cercanas a los tejidos naturales. Esto es particularmente importante para la ingeniería de tejidos cardíacos, donde la disposición de las células y fibras juega un papel crucial en las propiedades mecánicas y la funcionalidad del tejido.
El estudio también abre puertas a la personalización. Dado que tanto la coextrusión como la impresión 3D son procesos fácilmente controlables, es posible adaptar las propiedades del andamio a requisitos específicos. Esto podría resultar especialmente beneficioso en la medicina personalizada, donde los tratamientos se adaptan a cada paciente individual.
Si bien el estudio se centró en el cultivo de cardiomiocitos, las implicaciones van mucho más allá de la ingeniería del tejido cardíaco. Debido a la flexibilidad en la selección de materiales y el diseño de la estructura, este enfoque es aplicable a una amplia gama de aplicaciones de ingeniería de tejidos, desde la regeneración de huesos y cartílagos hasta la curación de heridas. Además, el estudio allana el camino para futuras investigaciones sobre la optimización de las propiedades de la estructura que podrían conducir a biomateriales aún más eficaces en el futuro.
La importancia de este trabajo radica en su potencial para revolucionar la forma en que abordamos la ingeniería de tejidos. Al integrar técnicas de fabricación avanzadas y ciencia de materiales, los investigadores han creado una plataforma versátil para el desarrollo de biomateriales de próxima generación. Estos avances podrían tener un profundo impacto en la atención sanitaria y abrir nuevas vías para el tratamiento de diversas enfermedades y afecciones. Si bien queda mucho por hacer, este estudio es un ejemplo convincente de cómo la investigación interdisciplinaria puede impulsar la innovación en la ingeniería biomédica.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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