The Cavalier Daily
Serving the University Community Since 1890

Técnica inspirada en Minecraft para avanzar en la bioimpresión 3D para trasplantes de diabetes

Los investigadores de la Universidad reimaginan los métodos estándar de bioimpresión

El artículo no expresa las opiniones o posiciones de los traductores. El artículo es una versión traducida del artículo que se encuentra a continuación: enlace

Escritora original: Sophia Jang

Traducido por: Chelsea Edwards e Isabella Sheridan

Investigadores de la Facultad de Medicina y de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad han colaborado en el desarrollo de un nuevo método de bioimpresión en 3D conocido como DASP — Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-Ink Particles (Montaje Digital de Partículas de Biotinta Viscoelástica Esférica). El DASP ofrecerá una mayor versatilidad estructural e imitará mejor las condiciones naturales del cuerpo en comparación con las técnicas actuales de bioimpresión — el grupo está trabajando actualmente en la aplicación del DASP a los mecanismos de trasplante de diabetes tipo 1. 

El DASP también ofrece modificaciones beneficiosas para otras aplicaciones biosintéticas. Mediante la bioimpresión 3D — una técnica de ingeniería de tejidos versátil — los investigadores pueden crear células, moléculas importantes y tejidos artificiales que se asemejan mucho a los tejidos y órganos humanos. Las aplicaciones van desde el estudio de la eficacia de los medicamentos hasta el modelado médico o los trasplantes de órganos. 

Liheng Cai, profesor asistente de ingeniería biomédica, dirige el equipo.

"Cuando se piensa en la bioimpresión en 3D, ofrece un buen control sobre la creación de arquitecturas complejas, que imitan la geometría y las funciones biológicas de los tejidos y órganos", dijo Cai. "Esta es realmente la esperanza — y también la promesa — que plantea la bioimpresión 3D".

Sin embargo, las técnicas estándar de bioimpresión tienen limitaciones funcionales. Actualmente, la bioimpresión mezcla hidrogeles y células para producir filamentos de bio-tinta. Los hidrogeles son redes 3Ds de polímeros hidrofílicos que pueden hincharse en agua y simultáneamente retener ambos el agua y su estructura. Los filamentos se apilan capa por capa para construir estructuras 3D, lo cual no imita fielmente el entorno natural del cuerpo y tiene más restricciones estructurales.

"Se [construye] capa por capa para crear una estructura 3D... pero esto no reproduce realmente lo que hace la naturaleza", dijo Cai. "En los tejidos biológicos reales, cada célula está rodeada por muchos otros tipos de células, y también por muchas otras proteínas".

Mientras estudiaban cómo remediar este problema y ampliar la capacidad de la bioimpresión, los ingenieros se inspiraron en el videojuego Minecraft. Minecraft utiliza vóxeles, que son pequeños cubos para construir objetos en un universo creado por el jugador. 

"En [Minecraft], utilizando ese tipo de vóxeles, son como pequeños cubos de diferentes colores y sabores para crear diversos tipos de dibujos animados de objetos", dijo Cai.

Mientras los jugadores de videojuegos pueden crear diversos personajes y objetos a partir de estos vóxeles digitales, los ingenieros consideraron cómo crear estructuras celulares y tejidos a partir de vóxeles biosintéticos. Dado que los jugadores pueden construir edificios, personajes y otros objetos con vóxeles singulares de muchos materiales diferentes — como la arenisca roja y la diorita pulida — la aplicación de este concepto a la creación de materiales biosintéticos con gotas individuales resuelve esas limitaciones funcionales.

"Ese es realmente nuestro objetivo a largo plazo: crear un vóxel biológico para armar esos vóxeles en imitaciones de tejidos en 3D", dijo Cai.

El equipo se encontró con dos desafíos principales en el desarrollo de un vóxel biosintético. Los materiales biológicos utilizados para crear vóxeles son muy viscosos, lo que dificulta la separación de la boquilla de la impresora de estas gotas, lo que afecta a la precisión de su forma y colocación. El segundo reto era encontrar una forma de fijar estas gotas en un espacio antes de ensamblarlas.

Según Jinchang Zhu, autor principal y estudiante de doctorado en el laboratorio de Cai, esto requiere una gran precisión.

"La impresión 3D consiste en colocar la célula correcta en el lugar adecuado", dijo Zhu.

Para acomodarse al primer reto, el equipo maquinó un proceso reversible en que la boquilla de la impresora 3D suelta unas gotitas individuales en una matriz de reparto, en vez del aire, para que la boquilla pueda ser separada más fácilmente y para que las gotitas puedan ser colocadas precisamente. En su medio ambiente soluble en agua, esas gotitas, o voxels, se hinchan y unen parcialmente juntos después de ser colocadas en la matriz de reparto, creando una estructura completa hecha de gotitas distintas. 

“Piensa en un oso de goma, ¿Si?” dijo Cai. “Si tiras un oso de goma en el agua, el oso de goma se hincha.” 

Igualmente, la hinchazón crea una estructura 3D hecha de voxels distintos que son mucho más pequeños que filamentos y por eso, ofrecen más versatilidad estructural. Además, imitan mejor los tejidos biológicos actuales compuestos de células individuales distintas en vez de capas de filamentos. 

El equipo, trabajando junto a su estudiante doctoral Yi He, encontró una aplicación específica para DASP en colaboración con el profesor adjunto Yong Wang de la Facultad de Medicina y Jose Oberholze, profesor de cirugía y ingeniería biomédica, y director del Centro del Trasplante de Charles O. Strickler, que están trabajando en mejorar los trasplantes de diabetes tipo 1. La diabetes tipo 1 es una condición crónica afligiendo 9,5 por ciento de la población global en que el sistema inmune percibe falsamente las células beta de los islotes como invasores extranjeros y las destruye

Esas células, localizadas en el páncreas, son responsables por producir la insulina, que es necesaria para el cuerpo a meter azúcar y producir la energía. Los pacientes tienen que meter la insulina para recuperar la escasez, pero trasplantando las células afectadas es una manera común para permitir a los pacientes recuperar sus células dañadas. 

Los trasplantes islotes nuevos no son completamente elásticos. Normalmente, millones de células individuales son sintetizadas en microcápsulas y trasplantadas, difundiendo y juntando con el tiempo hasta que las células ya no pueden detectar la glucosa correctamente. También es difícil recuperar esos trasplantes cuando empiezan a fallar o si algo inesperado ocurre. 

“Para cualquier aparato que pones en un cuerpo humano…siempre quieres recuperarlo cuando quieras, en caso de que algo malo [ocurra]”, Zhu dijo. “Sin embargo, porque esas gotitas son muy pequeñitas, son ...básicamente en todos partes. Es casi imposible recuperarlos”. 

DASP potencialmente podía resolver esos asuntos imprimiendo esas células individuales directamente en una estructura 3D para trasplante, en vez de trasplantar células individuales que pueden viajar, hundir, o juntarse, como dijo Wang. 

“Si defines la estructura 3D, quizás se puede detectar la glucosa mucho mejor y mucho más favorablemente”, dijo Wang. 

El andamio de DASP es actualmente diseñado para ser una estructura temporal con la meta de entrenar las células a formar estructuras de tejidos. Sin embargo, los trasplantes de islote requerían apoyo estructural, y por eso, la matriz de reparto necesita ser fortalecida para quedarse en un cuerpo de un paciente de diabetes para ofrecer células que funcionan por mucho tiempo. Actualmente, la técnica de DASP es usada en los ratones, y los investigadores  siguen observando los efectos de los trasplantes. Si es exitoso, los investigadores siguen con las pruebas clínicas en los primates no humanos. 

Dado que DASP generalmente ofrece más flexibilidad estructural y precisión en su enfoque nuevo, los investigadores esperan que ellos puedan tener otras aplicaciones. Por ejemplo, DASP pueden ser usados para estudiar otros tipos de células en gotitas diferentes o voxels.

“Puedes observar la interacción entre esos tres tipos de células, como crear un modelo de tejidos”, dijo Zhu. “Este modelo de tejidos puede ser muy útil para un modelo de una enfermedad o investigaciones para drogas”. 

Mientras tanto, el equipo interdisciplinario sigue trabajando junto en su nicho específico en bioimpresión, adaptando su técnica inspirado por Minecraft, DASP, hacia los trasplantes islotes y mirando hacia los próximos pasos. 

“Eso actualmente es la ventaja aquí”, dijo Cai. “Podemos sinergizar la investigación fundamental y las culturas clínicas en segmentos muy pequeños”. 

Comments

Latest Podcast

Today, we sit down with both the president and treasurer of the Virginia women's club basketball team to discuss everything from making free throws to recent increased viewership in women's basketball.