Fibra

Jun 05, 2023

Músculo cardíaco impresso em 3D batendo através de tinta com infusão de fibra

Na última década, os avanços na impressão 3D abriram novas possibilidades para os bioengenheiros construírem tecidos e estruturas cardíacas. Seus objetivos incluem a criação de melhores plataformas in vitro para a descoberta de novas terapêuticas para doenças cardíacas, a principal causa de morte nos Estados Unidos, responsável por cerca de uma em cada cinco mortes no país, e o uso de tecidos cardíacos impressos em 3D para avaliar quais tratamentos podem funcionar melhor. em pacientes individuais. Um objetivo mais distante é fabricar tecidos implantáveis ​​que possam curar ou substituir estruturas defeituosas ou doentes dentro do coração de um paciente.

Em um artigo publicado na Nature Materials, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson relatam o desenvolvimento de uma nova tinta de hidrogel infundida com fibras de gelatina que permite a impressão 3D de um ventrículo cardíaco funcional que imita o batimento como um coração humano. Eles descobriram que a tinta em gel com infusão de fibra (FIG) permite que as células do músculo cardíaco impressas no formato de um ventrículo se alinhem e batam em coordenação como uma câmara cardíaca humana.

“As pessoas têm tentado replicar estruturas e funções de órgãos para testar a segurança e eficácia dos medicamentos como forma de prever o que pode acontecer no ambiente clínico”, diz Suji Choi, investigador associado do SEAS e primeiro autor do artigo. Mas até agora, as técnicas de impressão 3D por si só não foram capazes de alcançar um alinhamento fisiologicamente relevante dos cardiomiócitos, as células responsáveis ​​pela transmissão de sinais elétricos de forma coordenada para contrair o músculo cardíaco.

Iniciamos este projeto para resolver algumas das inadequações na impressão 3D de tecidos biológicos.

A inovação está na adição de fibras a uma tinta imprimível. “A tinta FIG é capaz de fluir através do bico de impressão, mas, uma vez impressa, a estrutura mantém seu formato 3D”, diz Choi. “Devido a essas propriedades, descobri que é possível imprimir uma estrutura semelhante a um ventrículo e outras formas 3D complexas sem usar materiais de suporte ou andaimes extras.”

Para criar a tinta FIG, Choi aproveitou uma técnica de fiação a jato rotativo desenvolvida pelo laboratório de Parker que fabrica materiais de microfibra usando uma abordagem semelhante à forma como o algodão doce é fiado. O pesquisador de pós-doutorado Luke MacQueen, coautor do artigo, propôs a ideia de que fibras criadas pela técnica de fiação a jato rotativo poderiam ser adicionadas a uma tinta e impressas em 3D.

“Quando Luke desenvolveu este conceito, a visão era ampliar a gama de escalas espaciais que poderiam ser impressas com impressoras 3D, eliminando o limite inferior, reduzindo-o à escala nanométrica”, diz Parker. “A vantagem de produzir as fibras com fiação a jato rotativo em vez de eletrofiação” – um método mais convencional para gerar fibras ultrafinas – “é que podemos usar proteínas que de outra forma seriam degradadas pelos campos elétricos na eletrofiação”.

Usando o jato rotativo para fiar fibras de gelatina, Choi produziu uma folha de material com aparência semelhante ao algodão. Em seguida, ela usou a sonificação – ondas sonoras – para quebrar a camada em fibras com cerca de 80 a 100 micrômetros de comprimento e cerca de 5 a 10 micrômetros de diâmetro. Então, ela dispersou essas fibras em uma tinta de hidrogel.

Este conceito é amplamente aplicável – podemos usar nossa técnica de fiação de fibras para produzir fibras com segurança nos comprimentos e formatos desejados.

O aspecto mais difícil foi solucionar o problema da proporção desejada entre fibras e hidrogel na tinta para manter o alinhamento das fibras e a integridade geral da estrutura impressa em 3D.

À medida que Choi imprimia estruturas 2D e 3D usando tinta FIG, os cardiomiócitos se alinhavam em conjunto com a direção das fibras dentro da tinta. Ao controlar a direção da impressão, Choi poderia, portanto, controlar como as células do músculo cardíaco se alinhariam.

Quando ela aplicou estimulação elétrica em estruturas impressas em 3D feitas com tinta FIG, ela descobriu que isso desencadeou uma onda coordenada de contrações alinhadas com a direção dessas fibras. Numa estrutura em forma de ventrículo, “foi muito emocionante ver a câmara realmente bombeando de maneira semelhante ao bombeamento dos ventrículos cardíacos reais”, diz Choi.