Como funciona a bioprintificação 3D - 2019 | Pt.24InfoHealth.com
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A história em 3D da bioprinting
Assim como uma impressora jato de tinta, mais ou menos
Onde posso encontrar uma bioprinter?
Componentes Bioprinter
Órgãos sob encomenda
Um, dois, três, imprima!
Usos para Órgãos 3-D
Quem é o chefe da bioimpressão?
Nota do autor: Como funciona a bioprintificação em 3-D
Para fazer seu monstro homônimo, Victor Frankenstein precisava de partes do corpo, mas a doação de órgãos, como a conhecemos, não surgiria por mais de 135 anos. E assim, o médico fictício "se meteu entre os imprudentes abismos da sepultura" e visitou salas de dissecação e matadouros, onde colecionou partes e peças como uma espécie de ghoul.
O futuro Victor Frankensteins não terá que se tornar ladrões de túmulos para obter partes do corpo. Eles nem precisam de corpos. Em vez disso, estamos apostando que eles vão se beneficiar de uma tecnologia em rápido desenvolvimento conhecida como bioimpressão. Esse desdobramento da impressão em 3-D visa permitir que cientistas e pesquisadores médicos construam um órgão, camada por camada, usando scanners e impressoras tradicionalmente reservados para o projeto de automóveis, a construção de modelos e a 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 geladeira pequena. Ele também carrega um design 3D do brinquedo que ele quer fazer. Quando ele diz à máquina para imprimir, ela aquece e, usando o design como um conjunto de instruções, expulsa uma camada de plástico derretido através de um bocal sobre 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 na primeira. A impressora repete esse processo até formar um objeto sólido na forma do brinquedo.
Nos círculos industriais, isso é conhecido como fabricação aditiva porque o produto acabado é feito pela adição de material para construir uma forma tridimensional. Difere da manufatura tradicional, que freqüentemente envolve a subtração de um material, por meio de usinagem, para obter uma certa forma. Os fabricantes de aditivos não estão limitados a usar o plástico como material de partida. Alguns usam pós, que são mantidos juntos por cola ou aquecidos para fundir o pó juntos. Outros preferem materiais alimentares, como queijo ou chocolate, para criar esculturas comestíveis. E ainda outros - versões modernas de Victor Frankenstein - estão experimentando com biomateriais para imprimir tecidos vivos e, quando colocados adequadamente em ambientes bióticos, órgãos em pleno funcionamento.
É isso mesmo, a mesma tecnologia que pode produzir figuras de ação de Star Wars também pode produzir fígados humanos, rins, ouvidos, vasos sanguíneos, pele e ossos. Mas imprimir uma versão 3-D do R2-D2 não é exatamente o mesmo que imprimir um coração que se expande e contrai como músculo cardíaco real. Corte através de uma figura de ação, e você encontrará plástico por completo. Corte um coração humano e você encontrará uma matriz complexa de células e tecidos, os quais devem ser organizados adequadamente para que o órgão funcione. Por esse motivo, a bioprinting está se desenvolvendo mais lentamente do que outras técnicas de manufatura aditiva, mas está avançando. Pesquisadores já construíram impressoras 3D modificadas e agora estão aperfeiçoando os processos que lhes permitirão imprimir tecidos e órgãos para testes farmacêuticos e, finalmente, para transplantes.
Ilustração de como funciona um tipo de impressão 3D, sinterização seletiva a laser
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 bocal. As instruções para o projeto vieram de um engenheiro, que definiria a forma 3D de um objeto no software CAD (computer-aided design) e depois enviaria o arquivo para a impressora. Hull e seus colegas desenvolveram o formato de arquivo, conhecido como.stl, que transportava informações sobre a geometria da superfície do objeto, representada como um conjunto de faces triangulares.
No início, os materiais usados ​​na estereolitografia não eram robustos o suficiente para criar objetos de longa duração. Como resultado, os engenheiros usaram o processo estritamente como uma forma de modelar um produto final - uma peça de carro, por exemplo - que eventualmente seria fabricado usando técnicas tradicionais. Uma indústria inteira, conhecida como prototipagem rápida, cresceu em torno da tecnologia e, em 1986, Hull fundou a 3D Systems para fabricar impressoras 3-D e os materiais a serem usados ​​nelas.
No início dos anos 90, 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 pudessem funcionar como produtos acabados, e não meros degraus para os produtos acabados.
Não demorou muito para os pesquisadores médicos perceberem. O que é um órgão, mas um objeto que possui largura, altura e profundidade? Essa estrutura não poderia ser mapeada em três dimensões? E uma impressora 3D não poderia receber um mapa desse tipo e depois renderizar o órgão da mesma forma que ele poderia renderizar um enfeite de capô ou uma peça de joalheria? Tal feito poderia ser facilmente realizado se os cartuchos de impressora pulverizassem biomateriais em vez de plásticos.
Os cientistas foram em busca de tais materiais e, no final dos anos 90, criaram técnicas e processos viáveis ​​para tornar a construção de órgãos uma realidade. Em 1999, cientistas do Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa 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 cresceram com sucesso órgãos de trabalho. Isso preparou o cenário para a verdadeira bioimpressão. Em 2002, 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 sediada em San Diego - imprimiu o primeiro vaso sanguíneo.
Hoje, a revolução continua. No centro das atenções estão as próprias impressoras, assim como a mistura especial de tintas vivas que elas contêm. Nós vamos cobrir os dois próximos.
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 perceberá que a cabeça de impressão, impulsionada por um motor, se move em tiras horizontais sobre uma folha de papel. Enquanto se move, a tinta armazenada em um cartucho passa por pequenos bicos e cai na página em uma série de gotas finas. As gotas se acumulam para criar uma imagem, com configurações de alta resolução depositando mais tinta do que configurações de baixa resolução. Para obter cobertura completa de cima para baixo, a folha de papel, localizada abaixo da cabeça 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 xe y. Uma impressora 3D supera isso adicionando um mecanismo para imprimir ao longo de um eixo adicional, geralmente rotulado como eixo z em aplicativos matemáticos. Esse mecanismo é um elevador que move uma plataforma para cima e para baixo. Com tal arranjo, a cabeça de tinta pode estender o material de um lado para outro, mas também pode depositar camadas verticalmente à medida que o elevador puxa a plataforma para baixo e para longe da cabeça 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 bioprinting é realmente simples. Na realidade, é um pouco mais desafiador porque um órgão contém mais de um tipo de material. E porque o material é tecido vivo, ele precisa receber nutrientes e oxigênio. Para acomodar isso, as empresas de bioprinting modificaram suas impressoras 3-D para melhor atender a comunidade médica.
Como você pode imaginar, a tecnologia de bioprinting não está no ponto em que você pode comprar uma na Amazon, mas você pode encontrar, por exemplo, a bioprinter NovoGen MMX da Organovo em instituições como a Harvard Medical School, a Wake Forest University e o Sanford Consortium. Medicina regenerativa. Se você não é realmente um tipo institucional, você pode querer verificar o Instructable para uma bioprinter DIY do pessoal do BioCurious.
Esta bioprinter, localizada no Centro Shiley de Pesquisa e Educação Ortopédica na Scripps Clinic em La Jolla, Califórnia, está exibindo as configurações de temperatura, pressão e gotas / bico logo acima dos três botões. Um futuro órgão seu poderia ser criado em uma bioprinter algum dia?
Se você fosse separar uma bioprinter, como gostaríamos de fazer, você encontraria essas partes básicas:
Montagem da cabeça de impressão - Em uma bioprinter, as cabeças de impressão são presas a uma placa de metal ao longo de uma trilha 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 na direção horizontal.
Elevador - Uma pista de metal correndo 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 possibilita empilhar camadas sucessivas de material, uma sobre a 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 depressões pequenas para conter amostras de tecido de órgãos para testes farmacêuticos. Um terceiro motor move a plataforma de frente para trás ao longo do eixo y.
Reservatórios - Os reservatórios se fixam às cabeças de impressão e retêm o biomaterial a ser depositado durante o processo de impressão. Estes são equivalentes aos cartuchos da sua impressora jato de tinta.
Cabeças de impressão / seringas - Uma bomba força o material dos reservatórios para baixo através de um pequeno bocal ou seringa, que é posicionado logo acima da plataforma. Conforme 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, yez. 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 na sua impressora em casa, o bioink está vivo, então ele precisa de comida, água e oxigênio para sobreviver. Este ambiente estimulante é fornecido por uma gelatina de microgel - enriquecida com vitaminas, proteínas e outros compostos que sustentam a vida. Os pesquisadores ou misturam as células com o gel antes de imprimir ou expulsar as células de uma cabeça de impressão, o microgel da outra. De qualquer maneira, o gel ajuda as células a ficarem suspensas e impede que elas se instalem e se amontoem.
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 ela 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 através da cabeça de impressão. À medida que as células se acumulam na plataforma e se tornam embutidas no microgel, elas assumem uma forma tridimensional que se assemelha a um órgão humano.
Alternativamente, o cientista poderia começar com um bioink que consiste em células-tronco, que, após o processo de impressão, têm o potencial de se diferenciar nas células-alvo desejadas. De qualquer maneira, o bioink é simplesmente um meio, e uma bioprinter é um dispositivo de saída.Em seguida, analisaremos as etapas necessárias para imprimir um órgão projetado especificamente para um único paciente.
O coração pode ser um dos órgãos mais fáceis de fazer com uma bioprinter, disse Stuart K. Williams, chefe do Instituto de Inovação Cardiovascular, em entrevista à Wired em 2013.
Quando os pesquisadores construíram impressoras 3-D capazes de depositar bioink e formar massas vivas de células, eles comemoraram uma grande conquista. Então eles imediatamente começaram a atacar 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 um bioink usando células retiradas do paciente. Isso garante que o órgão impresso seja compatível geneticamente e não será rejeitado assim que for transplantado no corpo do paciente.
Para órgãos simples, como bexigas, os pesquisadores não imprimem diretamente o tecido vivo. Em vez disso, eles imprimem um suporte de 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 CAD (computer-aided design). Eles geralmente definem as coordenadas exatas dos eixos x, y e z do modelo, realizando varreduras do paciente usando tomografia computadorizada (TC) ou tecnologia de ressonância magnética (MRI).
Em seguida, os pesquisadores obtêm as células de que necessitam, fazendo uma biópsia da bexiga do paciente. Eles então colocam as amostras de células em uma cultura, onde elas se multiplicam em uma população suficientemente grande para cobrir o cadafalso, que fornece um substrato temporário para as células se agarrarem enquanto se organizam e fortalecem. Semear o andaime requer trabalhos manuais demorados e meticulosos com uma pipeta. Geralmente, leva cerca de oito semanas para que essas bexigas artificiais estejam prontas para implantação. Quando os médicos finalmente colocam o órgão no paciente, o suporte desapareceu ou desapareceu logo após a cirurgia.
O procedimento acima funciona porque o tecido da bexiga contém apenas dois tipos de células. Órgãos como os rins e os fígados têm uma estrutura muito mais complexa, com uma diversidade maior de tipos de células. Embora fosse fácil imprimir um andaime, seria quase impossível recriar manualmente a estrutura tridimensional do tecido. Uma bioprinter, no entanto, é ideal para concluir uma tarefa tão demorada e detalhada.
Aqui estão os passos para imprimir um órgão complexo:
Primeiro, os médicos fazem exames de tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética do órgão desejado.
Em seguida, eles carregam as imagens em um computador e constroem um esquema 3D correspondente da estrutura usando o software CAD.
Combinando esses dados 3-D com informações histológicas coletadas de anos de análise microscópica de tecidos, os cientistas constroem um modelo fatia a fatia do órgão do paciente. Cada fatia reflete com precisão como as células únicas e a matriz celular circundante se encaixam no espaço tridimensional.
Depois disso, é uma questão de acessar Arquivo> Imprimir, que envia os dados de modelagem para a bioprinter.
A impressora envia o órgão uma camada de cada vez, usando bioink e gel para criar o complexo tecido multicelular e mantê-lo no lugar.
Finalmente, os cientistas removem o órgão da impressora e o colocam em uma incubadora, onde as células da bioink aproveitam um tempo de inatividade quentinho e tranquilo para começar a viver e trabalhar juntas. Por exemplo, as células do fígado precisam formar o que os biólogos chamam de "junções apertadas", que descreve como a membrana celular de uma célula se funde com a membrana celular da célula adjacente. O tempo na incubadora realmente vale a pena - algumas horas no calor transformam o bioink em tecido vivo capaz de realizar as funções do fígado e sobreviver em um laboratório por até 40 dias.
A etapa final desse processo - fazer as células orgânicas impressas se comportarem como células nativas - tem sido um desafio. Alguns cientistas recomendam que a bioimpressão seja feita com as células-tronco de um paciente. Depois de serem depositados em seu espaço tridimensional necessário, eles se diferenciariam em células maduras, com todas as instruções sobre como "se comportar". Então, claro, há a questão de levar sangue para todas as células de um órgão impresso. Atualmente, a bioprinting não oferece resoluções suficientes para criar minúsculos capilares com espessura de uma única célula. Mas os cientistas imprimiram vasos sanguíneos maiores, e à medida que a tecnologia melhora, o próximo passo será órgãos de substituição totalmente funcionais, completos com a vascularização necessária para permanecer vivos e saudáveis.
Na época 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 3D. Alguns dentistas agora fazem uma varredura intra-oral dos dentes de um paciente e enviam a digitalização para um laboratório que cria uma ponte de porcelana usando uma impressora 3D. Fabricantes de próteses também mudaram sua abordagem para projetar membros artificiais. Agora, muitos são capazes de imprimir carenagens - tampas de membros protéticos - que se moldam perfeitamente à anatomia de uma pessoa, dando ao usuário um ajuste mais confortável. Estes são apenas prelúdios para o que o futuro pode conter: imprimir ossos inteiros para colocação no corpo. Os médicos na Holanda já criaram uma mandíbula inferior em uma impressora 3-D e implantaram a mandíbula - feita de titânio revestido com biocerâmica - em um paciente que sofre de uma infecção óssea crônica.
Os cientistas também imprimiram com sucesso estruturas cartilaginosas, como orelhas e traquéias. Para fazer o primeiro, os bioengenheiros fazem uma varredura em 3-D do ouvido de um paciente, projetam um molde usando o software CAD e depois o imprimem.Em seguida, eles injetam o molde com células de cartilagem e colágeno. Depois de passar algum tempo em uma incubadora, o ouvido sai, pronto para ser ligado ao paciente. Uma traquéia pode ser feita de maneira semelhante. Em 2012, os médicos da Universidade de Michigan imprimiram uma capa, feita a partir de um modelo 3D gerado a partir de uma tomografia computadorizada, para envolver e sustentar a traquéia de um bebê, que havia se tornado fraca e flexível por um defeito raro.
O santo graal, é claro, é um órgão de bioprint e a pele - o maior órgão do corpo - pode ser o primeiro item da lista. Pesquisadores do Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa já desenvolveram um sistema completo para imprimir enxertos de pele. O sistema inclui um scanner para mapear o ferimento de um paciente e uma impressora a jato de tinta especialmente construída que estabelece 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 podem produzir a pele diretamente nos pacientes.
Até que essas maravilhas se tornem on-line, os órgãos 3-D desempenharão um papel importante na educação e no desenvolvimento de medicamentos. Eles podem até levar em consideração o desenvolvimento de produtos alimentícios e de roupas (carne e couro cultivados em laboratório). Algumas escolas médicas investiram na 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 sentem exatamente como a coisa real. Ter acesso a tais tecidos naturais também beneficia as empresas farmacêuticas, que podem testar os medicamentos candidatos para ver seus efeitos. O 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" - pequenas amostras de tecido biologicamente ativas projetadas para responder como tecidos nativos.
Talvez um dia, a bioimpressão faça de qualquer um Victor Frankenstein, capaz de imprimir órgãos, ossos e músculos e reuni-lo 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, tridimensionalmente precisos, mas nada para controlá-los.
Nos EUA, esse papel caberá à Food and Drug Administration, mas este também é um novo território para a agência. De acordo com uma postagem no blog de 15 de agosto de 2013, dois laboratórios no Escritório de Ciência e Laboratórios de Engenharia da agência (OSEL) estão no caso. O Laboratório de Mecânica dos Sólidos está ocupado avaliando "como diferentes técnicas e processos de impressão afetam a resistência e a durabilidade dos materiais usados ​​em dispositivos médicos". O Laboratório de Desempenho Funcional e de 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 and Coburn].
Lembro-me da minha primeira impressora: uma máquina de escrever da Brother conectada a um Commodore 64, seguida de uma impressora margarida acionada por um IBM PC. Difícil de acreditar que podemos ter bioprinters sentado em nossos desktops um dia. Se o fizermos, gostaria de saber onde vamos comprar novos cartuchos bioink?