A equipe liderada por Riccardo Levato, da UMC Utrecht e da Universidade de Utrecht, está dando um passo importante rumo à bioimpressão de tecidos implantáveis. Utilizando visão computacional, um ramo da inteligência artificial, eles desenvolveram uma impressora 3D que não apenas imprime, mas também visualiza e coprojeta peças imprimíveis. O estudo, publicado na Nature, aborda um dos maiores desafios da bioimpressão 3D: melhorar a sobrevivência e a funcionalidade das células em tecidos vivos impressos. Mas como exatamente funciona a GRACE (Impressão 3D Generativa, Adaptativa e Consciente do Contexto)?
Geralmente associamos a impressão 3D à construção de estruturas camada por camada. Mas existem outras formas, como a bioimpressão volumétrica. Essa técnica cria uma estrutura completa em uma única etapa, usando um gel sensível à luz que se solidifica quando exposto à luz laser, que não agride as células.
A vantagem? É incrivelmente rápida, levando apenas alguns segundos, e muito mais suave para as células vivas. Para produzir uma impressão de alta qualidade, é crucial entender o que está dentro do material de impressão, para que o objeto impresso seja construído da forma mais otimizada possível. A nova tecnologia, chamada GRACE, torna isso possível. Ela abre novas possibilidades para a bioimpressão de tecidos funcionais e nos aproxima do reparo de tecidos, do teste de novos medicamentos e até da substituição de órgãos inteiros.
Por que precisamos da GRACE?
Na bioimpressão 3D, pesquisadores usam células vivas para criar tecidos e órgãos funcionais. Em vez de imprimir com plástico, eles imprimem com células vivas. Isso traz grandes desafios. As células são frágeis e não sobreviveriam a um processo de impressão 3D comum. É por isso que a equipe de Riccardo Levato desenvolveu uma biotinta especial, uma mistura de células vivas e géis nutritivos que protegem as células durante o processo de impressão.
Com os avanços nas biotintas, a bioimpressão 3D camada por camada tornou-se possível. Mas esse método ainda é demorado e exige muito das células. Pesquisadores de Utrecht desenvolveram uma solução: a bioimpressão volumétrica.
A bioimpressão volumétrica é mais rápida e suave para as células. Utilizando luz laser, que não agride as células, uma estrutura tridimensional é criada de uma só vez. “Para construir uma estrutura, projetamos uma série de padrões de luz em um tubo giratório preenchido com gel e células sensíveis à luz”, explica Riccardo Levato. “Onde os feixes de luz convergem, o material se solidifica. Isso cria um objeto tridimensional completo de uma só vez, sem a necessidade de tocar nas células.” Para isso, é crucial saber exatamente onde as células estão no gel. O GRACE agora torna isso possível.
Inovando células com luz laser
Sammy Florczak, aluno de doutorado no laboratório de Riccardo, trabalhou no desenvolvimento do GRACE, abreviação de impressão 3D Generativa, Adaptativa e Consciente do Contexto. Ele construiu um novo dispositivo em um laboratório especializado, utilizando tecnologias avançadas de laser. Antes de entrar, uma luz vermelha sinalizando “LASER” indica se é seguro prosseguir. A luz laser desempenha um papel crucial, não apenas na etapa de impressão, mas também na etapa adicional de geração de imagens que diferencia essa nova tecnologia. O GRACE combina bioimpressão volumétrica com essa avançada tecnologia de imagem por lâmina de luz baseada em laser. Mas o que podemos fazer com isso?
Um dos maiores desafios da bioimpressão 3D é a criação de vasos sanguíneos funcionais. Os vasos sanguíneos são essenciais para fornecer oxigênio e nutrientes às células e, portanto, imprimi-los no local correto é fundamental para a criação de tecidos viáveis. No entanto, nos métodos de impressão convencionais, um design 3D é feito antes de saber onde as células estão localizadas no gel fotossensível e, portanto, onde os vasos sanguíneos devem ser impressos. Com a GRACE, a impressora “vê” onde as células estão localizadas e, em segundos, projeta uma rede de vasos sanguíneos ao redor delas da forma mais eficaz possível. Esta nova impressora tem essencialmente seus próprios “olhos” e “cérebro”.
Do projeto à personalização
“Antigamente, a impressão sempre dependia do projeto do designer. Agora, o GRACE contribui para o design em si”, explicou Sammy. “A impressora ‘vê’ que tipo de células estão no material e onde elas estão. Então, usando ferramentas de IA, ela cria um design correspondente para o objeto a ser impresso. Esta nova impressora tem essencialmente seus próprios ‘olhos’ – a imagem a laser – e seu ‘cérebro’ – o novo software de IA. Esse nível de personalização resulta em tecidos que sobrevivem e funcionam melhor.”
O GRACE pode fazer mais do que criar redes adaptativas de vasos sanguíneos. A tecnologia também pode alinhar automaticamente múltiplas etapas de impressão. Considere, por exemplo, um pedaço de tecido ósseo impresso que posteriormente precisa de uma camada de cartilagem adicionada. Normalmente, este é um processo complexo que exige bastante trabalho manual. O GRACE escaneia o tecido existente e projeta e imprime automaticamente uma segunda camada que se encaixa perfeitamente sobre ele. Com a alta velocidade de impressão da bioimpressão volumétrica, objetos do tamanho de cm³ podem ser criados em segundos.
A correção automática é apenas o começo
Outro desafio na bioimpressão é que a luz pode, às vezes, ser bloqueada, por exemplo, por partes da estrutura previamente impressas. Isso pode criar sombras e falhas no produto final. O GRACE também pode resolver isso. Ao escanear a superfície de quaisquer obstáculos, o sistema ajusta automaticamente a projeção da luz. Isso torna a impressão mais precisa e consistente. Além disso, permite que objetos pré-fabricados sejam inseridos no frasco de impressão. Pense, por exemplo, em um stent no qual você poderia imprimir células de vasos sanguíneos ou objetos que podem liberar medicamentos.
A bioimpressão é altamente promissora, mas ainda há muito trabalho a ser feito para traduzir essa tecnologia para a prática clínica. Riccardo enfatizou que mais pesquisas são necessárias para entender como as células impressas podem amadurecer e replicar a funcionalidade dos tecidos nativos. Mesmo considerando os desafios futuros, Riccardo Levato sonha alto. “Este primeiro trabalho com o GRACE é apenas o começo. Atualmente, estamos trabalhando para aumentar o número de células que podem ser impressas, para que outros tecidos, como o coração e o fígado, também possam ser impressos. Além disso, gostaríamos de tornar essa técnica amplamente acessível a outros laboratórios para que outros possam aplicá-la em seus métodos de impressão”. Para saber mais sobre a GRACE acesse o site.
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