Muitos tecidos tubulares, como vasos sanguíneos e traqueia, podem sofrer defeitos segmentares longos devido a traumas e doenças. Com as limitações atuais no uso de enxertos autólogos, a necessidade de um substituto sintético é de interesse contínuo como uma possível alternativa. A fabricação desses órgãos tubulares é comumente feita com técnicas como eletrofiação e eletromolhabilidade por fusão usando um coletor rotacional. Agora, um novo método chamado melt-spinning e desenvolvido por pesquisadores do MERLN, baseado em um sistema AM de extrusão rotativa de 4 eixos, pode ser mais eficiente.
Os sistemas atuais de manufatura aditiva (AM) geralmente não implementam o uso de um eixo rotacional, o que limita sua aplicação para a fabricação de andaimes tubulares. Em um novo estudo do Departamento de Regeneração de Tecidos Complexos, Instituto MERLN de Medicina Regenerativa Inspirada em Tecnologia, da Universidade de Maastricht e do Grupo de Materiais de Polímeros Avançados da Universidade Politécnica de Bucareste, os pesquisadores desenvolveram um sistema AM baseado em extrusão de quatro eixos semelhante ao fundido a modelagem de deposição (FDM) foi desenvolvida para criar andaimes ocos tubulares. O novo processo aditivo foi apelidado de “melt-spinning”.
Um design de poro retangular e um de diamante foram posteriormente investigados para caracterização mecânica, como um padrão e uma geometria de poros de biomimética, respectivamente. As análises de flexão de três pontos revelaram que o desenho do poro de diamante é mais resistente ao colapso luminal em comparação com o desenho retangular.
Esses dados mostraram que, alterando o design dos poros do scaffold, uma ampla gama de propriedades mecânicas pode ser obtida. Além disso, o controle total sobre o projeto e a geometria do andaime pode ser alcançado com o sistema baseado em extrusão de 4 eixos desenvolvido, que não foi relatado com outras técnicas. Essa flexibilidade permite a fabricação de andaimes para diversas aplicações de regeneração de tecidos tubulares, projetando padrões de deposição adequados para atender aos seus pré-requisitos mecânicos.
Técnicas AM, como modelagem por deposição fundida (FDM), bioplotting e outras tecnologias baseadas em extrusão, são adequadas para aumentar a integridade mecânica de um andaime fabricando fibras com centenas de micrômetros. A principal limitação na criação de uma construção tubular com configurações atuais baseadas em extrusão são os desenhos e geometrias que podem ser fabricados, pois para essas estruturas salientes e ocas é necessário um material de suporte.
Essa limitação é causada principalmente pelo fato de que a maioria dos sistemas usa uma abordagem de fabricação camada por camada, depositando subsequentemente fibras para formar um preenchimento de cada camada dentro do contorno do objeto e esse processo é repetido até que o objeto 3D completo seja obtido. Essa deposição normalmente ocorre em um substrato plano que se move em relação ao cabeçote de impressão no plano XY e na direção Z.
A implementação de um quarto eixo no melt-spinning permite a criação de estruturas tubulares mais complexas, como também descrito no campo dos implantes protéticos. Outros grupos implementaram um quarto eixo em seu sistema FDM para aplicações biomédicas, porém muitas vezes sem comunicação entre o eixo rotacional e o sistema principal, o que resulta na criação apenas de desenhos helicoidais. Além disso, andaimes tubulares geralmente não são completamente caracterizados por suas propriedades mecânicas e comportamento para deformações axiais, radiais e de flexão.
O objetivo deste estudo do MERLN foi mostrar uma técnica AM baseada em extrusão semelhante ao FDM com um quarto eixo de rotação sincronizado que permite a fabricação de geometrias tubulares complexas. Além disso, o papel da geometria no projeto de andaimes e sua influência nas propriedades mecânicas, como compressão radial, resistência à tração e flexão em três pontos, foi mais estudado.
Flexionando os músculos rotacionais
Em um estudo de acompanhamento , os pesquisadores do MERLN usaram a mesma tecnologia de fiação para fabricar um enxerto vascular mimético com parâmetros de fibra personalizáveis. A fiação por fusão permite a possibilidade de criar fibras finas em torno de um mandril sem a necessidade de um campo elétrico, derretendo um polímero e depositando-o diretamente em um mandril de fiação. As fibras resultantes são altamente alinhadas e reprodutíveis com pequenas variações nas dimensões das fibras. Avanços recentes na técnica levaram à fabricação de fibras core-shell com propriedades mecânicas aprimoradas.
Sem a necessidade de um campo elétrico, os parâmetros controláveis e incontroláveis do processo de fabricação não são mais uma limitação. Consequentemente, pode ser resumido em equações simplificadas para prever os parâmetros da fibra em termos de dimensões da fibra, ângulo das fibras e espaçamento resultante. Isso pode resultar em uma camada de barreira mais reproduzível. Muito parecido com SES, essas microfibras requerem suporte mecânico. Um sistema baseado em extrusão de fusão de quatro eixos poderia fornecer esse suporte criando macrofibras maiores em torno das microfibras menores.
O objetivo deste segundo estudo MERLN foi desenvolver ainda mais a técnica de rotação capaz de alinhar células musculares lisas em um enxerto vascular de pequeno diâmetro. Além disso, equações matemáticas simplificadas foram formuladas com base nos resultados obtidos para prever o diâmetro da fibra, a distância entre as fibras e o ângulo de deposição. Células musculares lisas primárias foram cultivadas nos andaimes para avaliar se as células imitariam morfologicamente a túnica média de uma artéria. Finalmente, uma co-cultura com células endoteliais foi feita para avaliar se as células musculares lisas primárias alinhadas influenciaram a morfologia das células endoteliais.
As células musculares lisas desempenham um papel fundamental na manutenção da pressão sanguínea e na remodelação da matriz extracelular. Essas células têm uma forma de fuso característica e estão alinhadas na direção radial para auxiliar na constrição de qualquer artéria. Os enxertos de engenharia de tecidos têm o potencial de recriar esse alinhamento e oferecer uma alternativa viável aos enxertos não reabsorvíveis ou autólogos. Especificamente, com fiação por fusão, podem ser criadas fibras de pequeno diâmetro que podem se alinhar circunferencialmente nos andaimes. Neste estudo, um conjunto de equações simplificadas foi formulado para prever os parâmetros finais da fibra.
O alinhamento das células musculares lisas foi monitorado nos andaimes fabricados. Finalmente, uma co-cultura de células musculares lisas em contato direto com células endoteliais foi realizada para avaliar a influência do alinhamento das células musculares lisas na morfologia das células endoteliais. Os resultados mostram que as equações foram capazes de prever com precisão o diâmetro, a distância e o ângulo da fibra. Células musculares lisas vasculares primárias alinhadas de acordo com a direção da fibra, imitando a orientação nativa. A co-cultura com células endoteliais mostrou que as células musculares lisas alinhadas não tiveram influência na morfologia das células endoteliais. Em conclusão, formulamos uma série de equações que podem prever os parâmetros da fibra durante a fiação por fusão.
Melt-spinning para força
Em outro estudo publicado, os pesquisadores do MERLN mostram a otimização adicional de enxertos vasculares, descrevendo a fabricação de andaimes tubulares com diferentes alinhamentos de fibras, que possuem propriedades mecânicas robustas e são livres de vazamentos e suturáveis. Os cientistas também estudaram o efeito dessas propriedades no comportamento celular de hMSC diferenciadas em relação a células semelhantes a SMC. As células endoteliais também foram semeadas para obter uma construção compreendendo as camadas íntima e média da artéria.
O método de fabricação por fiação por fusão da MERLN permitiu um controle preciso sobre a orientação da fibra na direção circunferencial. O ângulo entre as fibras foi quantificado a partir de imagens obtidas por MEV. Quando o cabeçote de impressão foi movido a uma velocidade de 1 mm/s, as fibras foram depositadas paralelamente entre si (ângulo 0).
A uma velocidade de 10 mm/s, o ângulo entre duas fibras era de 10,4 ± 1,0°; a uma velocidade de 20 mm/s, o ângulo da fibra foi de 19,3 ± 2,5°; e a uma velocidade de 30 mm/s, o ângulo da fibra era de 33,6 ± 5,8°. O diâmetro da fibra era de 31,6 ± 3,9 μm e não foi afetado pela velocidade da cabeça de impressão. O diâmetro da fibra também pode ser modificado alterando a velocidade de rotação do coletor. Neste estudo final do MERLN, este parâmetro foi mantido constante em 1060 rpm.
Foi realizado um ensaio de flexão em três pontos para avaliar o comportamento mecânico dos andaimes produzidos. Os andaimes de 1° apresentaram comportamento frágil, pois já quebraram com 10% de deformação. Os andaimes de 20° foram mais robustos, não apresentando defeitos visíveis até 60% de deformação, mas passaram a apresentar aberturas claras das fibras a partir daí. Os andaimes de 30° não apresentaram defeitos visíveis na maior deformação testada de 160%. Os andaimes de 20 e 30° podem ser dobrados até 160% de tensão (máximo testado) sem torcer ou quebrar o andaime.
Para testar a capacidade dos andaimes de reter líquidos, plugues farpados Luer lock foram introduzidos em cada extremidade dos andaimes e conectados a uma seringa montada em uma bomba de seringa. Água com corante alimentar azul ou uma solução de BSA a 5% em PBS com corante vermelho fluiu através dos andaimes. A solução com BSA foi utilizada como “proxy” do sangue.
Nenhum vazamento foi observado em nenhuma das taxas de fluxo testadas (1,2, 10,2 e 25 mL/min). Apesar dos scaffolds serem capazes de reter líquidos, eles apresentavam alta porosidade. Vale ressaltar que os andaimes testados nos experimentos de vazamento já haviam sido usados anteriormente para o teste de flexão em três pontos, indicando que as altas deformações aplicadas não afetaram negativamente os andaimes. Para saber mais sobre o sistema acesse o site.
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