Cobrimos a bioimpressão 3D por quase uma década, começando quando a indústria de bioimpressão começou a se expandir além dos sistemas de ponta usados exclusivamente para pesquisa acadêmica em um jovem segmento comercial. Com o tempo, ele foi preenchido com hardware novo e mais acessível, materiais comerciais e cada vez mais padronizados e o sonho das primeiras aplicações comerciais. Hoje, todos esses aspectos da indústria de bioimpressão estão experimentando um crescimento vibrante, impulsionando a inovação em todas as três frentes e permitindo o surgimento de uma verdadeira indústria.
Em fevereiro de 2022, foi apresentado os primeiros exemplos de bioimpressão de unidades funcionais de tecido hepático (fígado) usando a tecnologia de bioimpressão volumétrica, que parece ser uma das direções mais viáveis para a regeneração e, eventualmente, a bioengenharia de órgãos e tecidos complexos. Recentemente, uma nova empresa, A Trestle Biotherapeutics surgiu para comercializar enxertos de tecido renal (rim) com base em pesquisas realizadas na última década pela professora Jennifer Lewis Lab no Wyss Institute de Harvard . A 3D Systems, uma das líderes convencionais da indústria de manufatura aditiva, também entrou no mercado trabalhando em hardware de bioimpressão (com aquisição da Allevi), biotintas (colaboração collPlant) e aplicações (principalmente tecido pulmonar, com a United Therapeutics).
Os tecidos do fígado e do rim são vistos como os tecidos mais complexos e úteis que podem ser obtidos com a bioimpressão dentro de um prazo aceitável. Seus usos são tanto em enxerto de tecido para medicina regenerativa quanto em testes de desenvolvimento de medicamentos (DDT). No entanto, o caminho para desenvolver esses tecidos bioimpressos tem sido difícil, que já teve baixas. A Organovo, a empresa que quase sozinha criou a ideia da bioimpressão comercial baseada na bioimpressão de tecidos renais e hepáticos, não conseguiu levar seus produtos ao mercado e queimou vários milhões de dólares antes de abandonar o segmento de bioimpressão.
A bioimpressão promete revolucionar a forma como abordamos a medicina e a engenharia de tecidos. Tem o potencial de atender à escassez global de doadores de órgãos e transformar a indústria médica, oferecendo soluções para inúmeras doenças e lesões. Neste artigo abrangente, exploraremos tudo o que você precisa saber sobre bioimpressão, desde os diferentes tipos de bioimpressoras e biotintas até as diversas aplicações dessa tecnologia de ponta. Seja você um estudante, pesquisador ou apenas curioso sobre esse campo empolgante, este artigo fornecerá uma visão abrangente da bioimpressão, seu estado atual e seu potencial futuro.
O que queremos dizer com bioimpressão?
O termo bioimpressão 3D (ou simplesmente bioimpressão) refere-se a uma família de métodos de fabricação aditivos e digitais que produzem objetos físicos camada por camada, usando uma máquina (uma bioimpressora 3D). Como a impressão 3D convencional, a bioimpressão cria objetos com base em modelos 3D projetados em software CAD. Objetos (ou construções) bioimpressos são geralmente réplicas de tecidos humanos ou animais, criados por meio da combinação de células com outros biomateriais e materiais biocompatíveis, como polímeros e cerâmicas.
A bioimpressão foi “oficialmente” introduzida em 1988, quando Robert J. Klebe usou uma impressora a jato de tinta para imprimir células. Desde então, o campo continuou a evoluir e novos métodos e técnicas foram introduzidos – inicialmente em nível acadêmico e, mais recentemente, em vários níveis comerciais. Nas últimas duas décadas, os pesquisadores se concentraram em abordagens para acomodar a sensibilidade das células vivas às tensões (fricção, pressão, viscosidade do fluido, etc.) que se manifestam durante o processo de impressão de materiais biológicos.
Os processos de bioimpressão, como os processos industriais de AM, podem ser classificados em duas categorias principais: baseados em ferramentas ou indiretos (impressão baseada em scaffold) e diretos (impressão sem scaffold). Ambos são divididos em duas categorias: bioimpressão assistida por laser e bioimpressão sem laser, cada uma das quais inclui várias subcategorias.
As construções bioimpressas são intrinsecamente multimateriais e, até certo ponto, continuam a evoluir depois de impressas, o que é um contraste perceptível em relação à impressão 3D para fabricação industrial. Múltiplos tipos de células, andaimes variados e materiais de andaimes, vascularização (a necessidade de fornecer oxigênio às células através e abaixo da superfície da construção) e numerosos materiais de matriz extracelular podem fazer parte de estruturas bioimpressas funcionais. À medida que as células se desenvolvem e se adaptam, há também um fator de tempo a ser considerado. É também por isso que alguns se referem à bioimpressão avançada como um tipo de impressão 4D.
Aplicações da bioimpressão
Algumas manufaturas aditivas industriais já progrediram de pesquisa e protótipo para aplicações comerciais de uso final. Embora se espere que a bioimpressão 3D siga uma trajetória semelhante, praticamente todo o potencial comercial existente para hardware de bioimpressão está atualmente focado em aplicações de pesquisa. A mudança significativa é que, embora esta pesquisa tenha sido limitada a instituições acadêmicas, algumas pesquisas agora começam a ser realizadas no setor corporativo. As maiores empresas farmacêuticas ainda hesitam em adotá-lo, mas começaram a investigá-lo.
O objetivo final pode ser replicar órgãos funcionais usando tecnologias de bioimpressão, mas a reprodução de órgãos complexos por meio de bioimpressão exigirá avanços muito além das capacidades da tecnologia e dos materiais existentes. No futuro previsível, as aplicações relevantes da bioimpressão serão para testes de desenvolvimento de medicamentos e, até certo ponto, produtos relacionados a alimentos (agricultura celular). Em termos de medicina regenerativa, podemos começar a ver alguma adoção de bioimpressão para enxertos de tecidos e alguns implantes baseados em polímeros e cerâmicas não celulares biocompatíveis e bioabsorvíveis.
A multimaterialidade, que ainda é um dos principais limites de todos os métodos industriais de impressão 3D, é uma barreira ainda maior na impressão de tecidos e órgãos, já que os órgãos mais complicados do corpo são compostos de muitos tipos diferentes de células. A necessidade de abordagens mais volumétricas (impressão “holográfica” de todos os lados ao mesmo tempo) e a velocidade de produção estão entre as limitações mais óbvias das tecnologias atuais, embora existam estruturas biológicas “mais simples” que poderiam ser bioimpressas, mesmo para implantação em humanos, nesta década.
A produção de tecido renal e hepático é limitada a aplicações de pesquisa, onde os tecidos impressos em 3D oferecem certas vantagens sobre os tecidos impressos em 2D, mas os órgãos funcionais genuínos ainda estão muito distantes. A regeneração cardíaca (válvulas cardíacas reabsorvíveis impressas em 3D, por exemplo) e, mais recentemente, a regeneração pulmonar fizeram algum progresso. Um dos principais impulsionadores da bioimpressão para aplicações de medicina regenerativa é, obviamente, a enorme necessidade de órgãos para transplante.
Estudos de bioimpressão
Quase todas as células do corpo vivem em uma matriz extracelular (MEC) e se comunicam umas com as outras por meio de sinais bioquímicos e mecânicos. As interações entre as células e entre as células e a MEC formam uma rede de comunicação que mantém a especificidade e a homeostase do tecido. Em testes de cultura de células 2D, a incapacidade das células de adquirir organização estrutural e conectividade in vitro pode limitar ou prejudicar atributos como morfologia celular, viabilidade, proliferação, diferenciação, expressão gênica, resposta a estímulos, metabolismo de drogas e função celular geral.
Ensaios pré-clínicos de rastreamento de drogas e toxicidade baseados em células têm fraco poder preditivo devido a essas restrições. Evidências sugerem que as culturas de células 3D podem imitar melhor a especificidade do tecido nativo com relevância fisiológica do que as culturas 2D.
Isso é especialmente visível na diferenciação e cultura de células-tronco, biologia do câncer, triagem de medicamentos e toxicidade e engenharia de tecidos. A cultura de agregados celulares em suspensão sem o uso de substratos baseados em matrizes tem sido usada em alguns dos modelos 3D mais básicos. Para antecipar com precisão o desenvolvimento e a morfogênese dos tecidos, os modelos 3D in vitro devem imitar elementos do comportamento celular in vitro.
Scaffolds com características físicas e biológicas variáveis foram desenvolvidos usando uma variedade de materiais e técnicas de construção para atender às necessidades de vários tipos de células. Para aplicações in vitro de crescimento de células 3D, hidrogéis à base de ECM produzidos naturalmente (colágenos, elastinas, fibronectinas e lamininas) são a abordagem mais comumente empregada.
Materiais para bioimpressão
Combinações de polímeros, cerâmicas, células, agregados celulares, fatores de crescimento, hidrogéis, componentes de andaime e outros materiais compõem as tintas de bioimpressão ou biotintas. Para garantir a viabilidade celular (ou seja, que as células sobrevivam ao processo de impressão), as biotintas celulares devem ser processadas com cuidado.
Os biomateriais, que são projetados para uso em bioimpressão, incluem uma ampla variedade de materiais hidrogel, metálicos, cerâmicos, poliméricos, compósitos e celulares. O melhor método de impressão é determinado pelas propriedades físicas dos materiais. Materiais de baixa viscosidade, por exemplo, são mais atraentes para bioimpressão porque as células prosperam em um ambiente de baixa pressão. Outros parâmetros do material, como tamanho dos poros e interconectividade, podem ter impacto nas células encapsuladas.
De um modo geral, todos os consumíveis usados em bioimpressoras para aplicações de bioimpressão são chamados de biotintas. Às vezes, as biotintas são usadas como materiais que contêm células específicas, distinguindo-as de hidrogéis puros e materiais de andaime. As biotintas são tipicamente poliméricas, embora também possam ser feitas de cerâmica ou metais. As biotintas são ainda classificadas como biotintas de sacrifício, reagentes de base de matriz, matriz ECM GAGs, intensificadores de impressão de matriz e biotintas curáveis por UV.
Para acomodar as células encapsuladas e, no caso de implantação, os próprios tecidos do receptor, os materiais do scaffold devem ser biocompatíveis. O implante deve ser citocompatível, permitindo que as células cresçam, adiram, proliferem e migrem enquanto permanecem seguros para o hospedeiro e não causam inflamação significativa ou rejeição imunológica.
Os andaimes de engenharia de tecidos foram feitos de quase todos os materiais de impressão 3D sem células, incluindo polímeros metálicos, sintéticos e naturais. Para melhorar a resistência mecânica das substituições de reparo de tecidos duros, pós de metal e hidroxiapatita são normalmente empregados como materiais de partida. Para saber mais acesse o site.
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