Como funciona a bioimpressão 3D

Os futuros Victor Frankensteins não terão que se tornar ladrões de túmulos para obter partes do corpo. Eles nem vão precisar de corpos. Em vez disso, estamos apostando que eles aproveitarão uma tecnologia em rápido desenvolvimento conhecida como bioimpressão . Este desdobramento da impressão 3-D visa permitir que cientistas e pesquisadores médicos construam um órgão, camada por camada, usando scanners e impressoras tradicionalmente reservados para design de automóveis, construção de modelos e prototipagem de produtos.

Para fazer um brinquedo usando essa técnica, um fabricante carrega uma substância, geralmente de plástico, em uma máquina do tamanho de uma mini geladeira. Ele também carrega um desenho 3D do brinquedo que quer fazer. Quando ele diz à máquina para imprimir, ela aquece e, usando o design como um conjunto de instruções, extrusa uma camada de plástico derretido através de um bico para uma plataforma. À medida que o plástico esfria, ele começa a se solidificar, embora por si só não passe de uma única fatia do objeto desejado. A plataforma então se move para baixo para que uma segunda camada possa ser depositada sobre a primeira. A impressora repete esse processo até formar um objeto sólido no formato do brinquedo.

Nos círculos industriais, isso é conhecido como manufatura aditiva porque o produto acabado é feito pela adição de material para construir uma forma tridimensional. Difere da fabricação tradicional, que muitas vezes envolve a subtração de um material, por meio de usinagem, para obter uma determinada forma. Os fabricantes de aditivos não se limitam a usar plástico como matéria-prima. Alguns usam pós, que são mantidos juntos por cola ou aquecidos para fundir o pó. Outros preferem materiais alimentares, como queijo ou chocolate, para criar esculturas comestíveis. E ainda outros - versões modernas de Victor Frankenstein - estão experimentando biomateriais para imprimir tecidos vivos e, quando colocados em camadas adequadamente em ambientes bióticos, órgãos em pleno funcionamento.

Isso mesmo, a mesma tecnologia que pode produzir figuras de ação de Star Wars também pode produzir fígados, rins, ouvidos, vasos sanguíneos, pele e ossos humanos. Mas imprimir uma versão 3-D do R2-D2 não é exatamente o mesmo que imprimir um coração que se expande e se contrai como um músculo cardíaco real. Corte uma figura de ação e você encontrará plástico por toda parte. Corte um coração humano e você encontrará uma matriz complexa de células e tecidos, todos os quais devem ser organizados adequadamente para que o órgão funcione. Por esse motivo, a bioimpressão está se desenvolvendo mais lentamente do que outras técnicas de manufatura aditiva, mas está avançando. Os pesquisadores já construíram impressoras 3-D modificadas e agora estão aperfeiçoando os processos que permitirão imprimir tecidos e órgãos para testes farmacêuticos e, finalmente, para transplante.

1. A história 3-D da bioimpressão
2. Assim como uma impressora a jato de tinta, mais ou menos
3. Componentes da bioimpressora
4. Órgãos sob encomenda
5. Um, Dois, Três, Imprima!
6. Usos para Órgãos 3-D

A promessa de imprimir órgãos humanos começou em 1983, quando Charles Hull inventou a estereolitografia . Esse tipo especial de impressão dependia de um laser para solidificar um material polimérico extrudado de um bico. As instruções para o projeto vinham de um engenheiro, que definia a forma 3D de um objeto em um software de desenho assistido por computador (CAD) e depois enviava o arquivo para a impressora. Hull e seus colegas desenvolveram o formato de arquivo, conhecido como .stl, que carregava informações sobre a geometria da superfície do objeto, representada como um conjunto de faces triangulares.

No início, os materiais usados ​​na estereolitografia não eram resistentes o suficiente para criar objetos duradouros. Como resultado, os engenheiros nos primeiros dias usavam o processo estritamente como uma forma de modelar um produto final – uma peça de carro, por exemplo – que acabaria sendo fabricada usando técnicas tradicionais. Toda uma indústria, conhecida como prototipagem rápida, cresceu em torno da tecnologia e, em 1986, Hull fundou a 3D Systems para fabricar impressoras 3D e os materiais necessários para elas.

No início da década de 1990, a 3D Systems começou a introduzir a próxima geração de materiais - nanocompósitos , plásticos misturados e metais em pó. Esses materiais eram mais duráveis, o que significava que podiam produzir objetos fortes e resistentes que poderiam funcionar como produtos acabados, não meros degraus para produtos acabados.

Não demorou muito para os pesquisadores médicos perceberem. O que é um órgão senão um objeto que possui largura, altura e profundidade? Essa estrutura não poderia ser mapeada em três dimensões? E uma impressora 3-D não poderia receber tal mapa e então renderizar o órgão da mesma forma que faria um ornamento de capuz ou uma peça de joalheria? Tal feito poderia ser facilmente realizado se os cartuchos de impressora pulverizassem biomateriais em vez de plásticos.

Os cientistas saíram em busca desses materiais e, no final dos anos 1990, desenvolveram técnicas e processos viáveis ​​para tornar a construção de órgãos uma realidade. Em 1999, cientistas do Wake Forest Institute for Regenerative Medicine usaram uma impressora 3-D para construir um andaime sintético de uma bexiga humana. Eles então revestiram o andaime com células retiradas de seus pacientes e desenvolveram órgãos funcionais com sucesso. Isso preparou o terreno para a verdadeira bioimpressão. Em 2002, os cientistas imprimiram um rim funcional em miniatura capaz de filtrar sangue e produzir urina em um modelo animal. E em 2010, a Organovo - uma empresa de bioimpressão com sede em San Diego - imprimiu o primeiro vaso sanguíneo.

Hoje, a revolução continua. No centro do palco estão as próprias impressoras, bem como a mistura especial de tintas vivas que elas contêm. Vamos cobrir ambos a seguir.

A ideia da impressão 3D evoluiu diretamente de uma tecnologia que todos conhecem: a impressora a jato de tinta . Observe sua máquina HP ou Epson produzir uma página impressa e você notará que o cabeçote de impressão, acionado por um motor, se move em faixas horizontais em uma folha de papel. À medida que se move, a tinta armazenada em um cartucho é pulverizada através de pequenos bicos e cai na página em uma série de gotas finas. As gotas se acumulam para criar uma imagem, com configurações de resolução mais alta depositando mais tinta do que configurações de resolução mais baixa. Para obter cobertura total de cima para baixo, a folha de papel, localizada abaixo do cabeçote de impressão, é enrolada verticalmente.

A limitação das impressoras a jato de tinta é que elas imprimem apenas em duas dimensões - ao longo dos eixos x e y. Uma impressora 3-D supera isso adicionando um mecanismo para imprimir ao longo de um eixo adicional, geralmente rotulado como eixo z em aplicações matemáticas. Este mecanismo é um elevador que move uma plataforma para cima e para baixo. Com esse arranjo, o cabeçote de tinta pode depositar material de um lado para o outro, mas também pode depositar camadas verticalmente à medida que o elevador puxa a plataforma para baixo e para longe do cabeçote de impressão. Encha o cartucho com plástico e a impressora produzirá um widget de plástico tridimensional. Preencha-o com células e ele produzirá uma massa de células.

Conceitualmente, a bioimpressão é realmente tão simples. Na realidade, é um pouco mais desafiador porque um órgão contém mais de um tipo de material. E como o material é tecido vivo, ele precisa receber nutrientes e oxigênio. Para acomodar isso, as empresas de bioimpressão modificaram suas impressoras 3-D para melhor atender a comunidade médica.

Onde posso encontrar uma bioimpressora?

Como você pode imaginar, a tecnologia de bioimpressão não está no ponto em que você pode encomendar uma na Amazon, mas você pode encontrar, por exemplo, a bioimpressora NovoGen MMX da Organovo em instituições como a Harvard Medical School, Wake Forest University e o Sanford Consortium for Medicina regenerativa. Se você não é realmente um tipo institucional, você pode querer verificar o Instructable para uma bioimpressora DIY do pessoal da BioCurious .

Se você fosse desmontar uma bioimpressora, como adoraríamos fazer, você encontraria estas partes básicas:

Montagem da cabeça de impressão -- Em uma bioimpressora, as cabeças de impressão são presas a uma placa de metal que corre ao longo de um trilho horizontal. O motor do eixo x impulsiona a placa de metal (e as cabeças de impressão) de um lado para o outro, permitindo que o material seja depositado em qualquer direção horizontal.

Elevador -- Um trilho de metal que corre verticalmente na parte traseira da máquina, o elevador, acionado pelo motor do eixo z, move as cabeças de impressão para cima e para baixo. Isso torna possível empilhar sucessivas camadas de material, uma em cima da outra.

Plataforma -- Uma prateleira na parte inferior da máquina fornece uma plataforma para o órgão descansar durante o processo de produção. A plataforma pode suportar um andaime, uma placa de Petri ou uma placa de poço, que pode conter até 24 pequenas depressões para armazenar amostras de tecidos de órgãos para testes farmacêuticos. Um terceiro motor move a plataforma da frente para trás ao longo do eixo y.

Reservatórios -- Os reservatórios são fixados nas cabeças de impressão e retêm o biomaterial a ser depositado durante o processo de impressão. Eles são equivalentes aos cartuchos da sua impressora a jato de tinta.

Cabeças de impressão/seringas -- Uma bomba força o material dos reservatórios para baixo através de um pequeno bico ou seringa, que é posicionado logo acima da plataforma. À medida que o material é extrudado, ele forma uma camada na plataforma.

Sensor de triangulação -- Um pequeno sensor rastreia a ponta de cada cabeça de impressão conforme ela se move ao longo dos eixos x, y e z. O software se comunica com a máquina para que a localização precisa das cabeças de impressão seja conhecida durante todo o processo.

Microgel -- Ao contrário da tinta que você carrega em sua impressora em casa, a biotinta está viva, então precisa de comida, água e oxigênio para sobreviver. Esse ambiente estimulante é fornecido por um microgel – pense em gelatina enriquecida com vitaminas, proteínas e outros compostos que sustentam a vida. Os pesquisadores misturam as células com o gel antes de imprimir ou extrudam as células de uma cabeça de impressão e o microgel da outra. De qualquer forma, o gel ajuda as células a ficarem suspensas e evita que elas se acumulem e se acumulem.

Bioink - Órgãos são feitos de tecidos e tecidos são feitos de células. Para imprimir um órgão, um cientista deve ser capaz de depositar células específicas para o órgão que espera construir. Por exemplo, para criar um fígado, ela começaria com hepatócitos – as células essenciais de um fígado – bem como outras células de suporte. Essas células formam um material especial conhecido como bioink , que é colocado no reservatório da impressora e depois extrudado pelo cabeçote de impressão. À medida que as células se acumulam na plataforma e se incorporam ao microgel, elas assumem uma forma tridimensional que lembra um órgão humano .

Alternativamente, o cientista poderia começar com uma biotinta composta por células-tronco , que, após o processo de impressão, têm o potencial de se diferenciar nas células-alvo desejadas. De qualquer forma, a biotinta é simplesmente um meio e uma bioimpressora é um dispositivo de saída. A seguir, revisaremos as etapas necessárias para imprimir um órgão projetado especificamente para um único paciente.

Quando os pesquisadores construíram impressoras 3-D capazes de depositar biotinta e formar massas vivas de células, eles comemoraram uma grande conquista. Então eles imediatamente começaram a enfrentar o próximo grande problema: como a bioimpressão pode produzir um órgão para uma pessoa específica? Para conseguir isso, uma equipe médica precisa coletar dados sobre o órgão em questão - seu tamanho, forma e localização no corpo do paciente. Em seguida, os membros da equipe precisam inventar uma biotinta usando células retiradas do paciente. Isso garante que o órgão impresso seja geneticamente compatível e não seja rejeitado depois de transplantado no corpo do paciente.

Para órgãos simples, como bexigas, os pesquisadores não imprimem o tecido vivo diretamente. Em vez disso, eles imprimem um andaime 3-D feito de polímeros biodegradáveis ​​ou colágeno. Para determinar a forma exata do andaime, eles primeiro constroem um modelo 3-D usando um software de desenho assistido por computador (CAD). Eles geralmente definem as coordenadas exatas x, y e z do modelo fazendo varreduras do paciente usando tecnologia de tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética (RM).

Em seguida, os pesquisadores obtêm as células de que precisam fazendo uma biópsia da bexiga do paciente. Eles então colocam as amostras de células em uma cultura, onde se multiplicam em uma população suficientemente grande para cobrir o andaime, que fornece um substrato temporário para as células se agarrarem à medida que se organizam e se fortalecem. Semear o andaime requer um trabalho manual demorado e meticuloso com uma pipeta. Geralmente, leva cerca de oito semanas antes que essas bexigas artificiais estejam prontas para implantação. Quando os médicos finalmente colocam o órgão no paciente, o andaime desaparece ou desaparece logo após a cirurgia.

O procedimento acima funciona porque o tecido da bexiga contém apenas dois tipos de células. Órgãos como rins e fígados têm uma estrutura muito mais complexa com uma maior diversidade de tipos de células. Embora fosse fácil imprimir um andaime, seria quase impossível recriar manualmente a estrutura tridimensional do tecido. Uma bioimpressora, no entanto, é ideal para concluir uma tarefa tão demorada e orientada a detalhes.

Aqui estão os passos para imprimir um órgão complexo:

A etapa final desse processo - fazer com que as células dos órgãos impressos se comportem como células nativas - tem sido um desafio. Alguns cientistas recomendam que a bioimpressão seja feita com células-tronco de um paciente. Após serem depositados em seu espaço tridimensional necessário, eles se diferenciariam em células maduras, com todas as instruções sobre como "se comportar". Então, é claro, há a questão de levar sangue para todas as células em um órgão impresso. Atualmente, a bioimpressão não oferece resoluções suficientes para criar capilares minúsculos de uma única célula. Mas os cientistas imprimiram vasos sanguíneos maiores e, à medida que a tecnologia melhora, o próximo passo será a substituição de órgãos totalmente funcionais , completos com a vascularização necessária para permanecer vivo e saudável.

No momento da publicação, os cirurgiões não haviam implantado um órgão impresso do zero em um humano. Isso não significa que não houve sucessos. A substituição de partes do esqueleto é uma área que está sendo revolucionada pela impressão 3-D. Alguns dentistas agora fazem um escaneamento intraoral dos dentes de um paciente e enviam o escaneamento para um laboratório que confecciona uma ponte de porcelana usando uma impressora 3D. Os fabricantes de próteses também mudaram sua abordagem para projetar membros artificiais. Agora, muitos são capazes de imprimir carenagens - coberturas protéticas de membros - que se moldam perfeitamente à anatomia de uma pessoa, dando ao usuário um ajuste mais confortável. Estes são apenas prelúdios do que o futuro pode reservar: imprimir ossos inteiros para colocação no corpo.

Os cientistas também imprimiram com sucesso estruturas cartilaginosas, como orelhas e traqueias. Para fazer o primeiro, os bioengenheiros fazem um escaneamento 3-D da orelha de um paciente, projetam um molde usando um software CAD e depois o imprimem. Em seguida, eles injetam o molde com células de cartilagem e colágeno. Depois de algum tempo em uma incubadora, a orelha sai, pronta para ser anexada ao paciente. Uma traqueia pode ser feita de maneira semelhante. Em 2012, médicos da Universidade de Michigan imprimiram uma capa, feita a partir de um modelo 3-D gerado a partir de uma tomografia computadorizada, para envolver e apoiar a traqueia de um bebê, que havia se tornado fraca e flexível devido a um defeito raro.

O Santo Graal, é claro, é um órgão bioimpresso, e a pele – o maior órgão do corpo – pode ser o primeiro item da lista. Pesquisadores do Wake Forest Institute for Regenerative Medicine já desenvolveram um sistema completo para imprimir enxertos de pele. O sistema inclui um scanner para mapear a ferida de um paciente e uma impressora a jato de tinta construída especificamente para armazenar as células, proteínas e enzimas necessárias para formar a pele humana. O objetivo é construir impressoras portáteis para uso em hospitais de campanha, onde os médicos possam produzir a pele diretamente nos pacientes.

Até que essas maravilhas estejam online, os órgãos 3D desempenharão um papel importante na educação e no desenvolvimento de medicamentos. Eles podem até levar em consideração o desenvolvimento de produtos alimentícios e de vestuário (carne e couro cultivados em laboratório). Algumas faculdades de medicina investiram em tecnologia de impressão 3D para criar modelos cirúrgicos de órgãos a partir de imagens de tomografia computadorizada ou ressonância magnética. Isso permite que os alunos pratiquem em corações, fígados e outras estruturas que parecem e se parecem com a coisa real. Ter acesso a esses tecidos realistas também beneficia as empresas farmacêuticas, que podem testar medicamentos candidatos para ver seus efeitos. A Organovo abriga várias impressoras capazes de imprimir modelos tridimensionais de tecidos de fígado, rim e câncer. Estes não são órgãos completos destinados a viver indefinidamente. Em vez disso, eles são "órgãos em um chip" - pequenos,

Talvez um dia, a bioimpressão faça de qualquer um um Victor Frankenstein, capaz de imprimir órgãos, ossos e músculos e montá-los em um fac-símile razoável de um ser humano. Então, novamente, há a questão do sistema nervoso. Mesmo os melhores scanners, impressoras, tintas e géis ficarão aquém quando se trata de recriar um cérebro pensante e sonhador. E sem isso, nossos esforços nos deixariam com uma coleção de órgãos anatomicamente corretos e tridimensionalmente precisos, mas nada para controlá-los.

Quem é o chefe da bioimpressão?

Nos EUA, esse papel caberia à Food and Drug Administration, mas esse também é um novo território para a agência. De acordo com uma postagem no blog de 15 de agosto de 2013, dois laboratórios do Escritório de Laboratórios de Ciência e Engenharia (OSEL) da agência estão no caso. O Laboratório de Mecânica dos Sólidos está ocupado avaliando "como as diferentes técnicas e processos de impressão afetam a resistência e a durabilidade dos materiais usados ​​em dispositivos médicos". O Laboratório de Desempenho Funcional e Uso de Dispositivos "desenvolveu e adaptou métodos de modelagem computacional para nos ajudar a determinar o efeito das mudanças de projeto na segurança e no desempenho de dispositivos quando usados ​​em diferentes populações de pacientes" [fonte: Pollack e Coburn ].

Nota do autor: como funciona a bioimpressão 3D

Lembro-me da minha primeira impressora: uma máquina de escrever Brother ligada a um Commodore 64, seguida por uma impressora margarida alimentada por um IBM PC. Difícil acreditar que podemos ter bioimpressoras em nossos desktops um dia. Se o fizermos, eu me pergunto onde iremos conseguir novos cartuchos de bioink?

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