Fibra

Jun 05, 2023

Músculo cardíaco impreso en 3D latiendo a través de tinta con infusión de fibra

Durante la última década, los avances en la impresión 3D han abierto nuevas posibilidades para que los bioingenieros construyan estructuras y tejidos cardíacos. Sus objetivos incluyen crear mejores plataformas in vitro para descubrir nuevas terapias para las enfermedades cardíacas, la principal causa de muerte en los Estados Unidos, responsable de aproximadamente una de cada cinco muertes a nivel nacional, y utilizar tejidos cardíacos impresos en 3D para evaluar qué tratamientos podrían funcionar mejor. en pacientes individuales. Un objetivo más lejano es fabricar tejidos implantables que puedan curar o reemplazar estructuras defectuosas o enfermas dentro del corazón de un paciente.

En un artículo publicado en Nature Materials, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard informan sobre el desarrollo de una nueva tinta de hidrogel con fibras de gelatina que permite la impresión 3D de un ventrículo cardíaco funcional que imita los latidos. un corazón humano. Descubrieron que la tinta de gel con infusión de fibra (FIG) permite que las células del músculo cardíaco impresas en forma de ventrículo se alineen y latan en coordinación como la cámara del corazón humano.

"La gente ha estado tratando de replicar las estructuras y funciones de los órganos para probar la seguridad y eficacia de los medicamentos como una forma de predecir lo que podría suceder en el entorno clínico", dice Suji Choi, investigador asociado de SEAS y primer autor del artículo. Pero hasta ahora, las técnicas de impresión 3D por sí solas no han podido lograr una alineación fisiológicamente relevante de los cardiomiocitos, las células responsables de transmitir señales eléctricas de manera coordinada para contraer el músculo cardíaco.

Iniciamos este proyecto para abordar algunas de las deficiencias en la impresión 3D de tejidos biológicos.

La innovación radica en la adición de fibras dentro de una tinta imprimible. "La tinta FIG es capaz de fluir a través de la boquilla de impresión pero, una vez impresa la estructura, mantiene su forma 3D", dice Choi. "Debido a esas propiedades, descubrí que es posible imprimir una estructura similar a un ventrículo y otras formas complejas en 3D sin utilizar materiales de soporte o andamios adicionales".

Para crear la tinta FIG, Choi aprovechó una técnica de hilado por chorro giratorio desarrollada por el laboratorio de Parker que fabrica materiales de microfibra utilizando un enfoque similar a la forma en que se hila el algodón de azúcar. El investigador postdoctoral Luke MacQueen, coautor del artículo, propuso la idea de que las fibras creadas mediante la técnica de hilado por chorro rotatorio podrían agregarse a una tinta e imprimirse en 3D.

"Cuando Luke desarrolló este concepto, la visión era ampliar la gama de escalas espaciales que se podían imprimir con impresoras 3D eliminando el fondo de los límites inferiores, llevándolo a la escala nanométrica", dice Parker. "La ventaja de producir fibras con hilado por chorro rotatorio en lugar de electrohilado" (un método más convencional para generar fibras ultrafinas) "es que podemos utilizar proteínas que de otro modo serían degradadas por los campos eléctricos en el electrohilado".

Utilizando el chorro giratorio para hilar fibras de gelatina, Choi produjo una lámina de material con una apariencia similar al algodón. A continuación, utilizó sonificación (ondas sonoras) para romper esa lámina en fibras de entre 80 y 100 micrómetros de largo y entre 5 y 10 micrómetros de diámetro. Luego, dispersó esas fibras en una tinta de hidrogel.

Este concepto es ampliamente aplicable: podemos utilizar nuestra técnica de hilado de fibras para producir fibras de manera confiable en las longitudes y formas que queramos.

El aspecto más difícil fue solucionar el problema de la proporción deseada entre fibras e hidrogel en la tinta para mantener la alineación de las fibras y la integridad general de la estructura impresa en 3D.

Mientras Choi imprimió estructuras 2D y 3D usando tinta FIG, los cardiomiocitos se alinearon en conjunto con la dirección de las fibras dentro de la tinta. Al controlar la dirección de impresión, Choi podría controlar cómo se alinearían las células del músculo cardíaco.

Cuando aplicó estimulación eléctrica a estructuras impresas en 3D hechas con tinta FIG, descubrió que desencadenaba una onda coordinada de contracciones en alineación con la dirección de esas fibras. En una estructura con forma de ventrículo, "fue muy emocionante ver cómo la cámara bombeaba de manera similar a cómo bombean los ventrículos del corazón real", dice Choi.

Mientras experimentaba con más direcciones de impresión y fórmulas de tinta, descubrió que podía generar contracciones aún más fuertes dentro de formas similares a ventrículos.

"En comparación con el corazón real, nuestro modelo de ventrículo está simplificado y miniaturizado", afirma. El equipo ahora está trabajando para construir tejidos cardíacos más realistas con paredes musculares más gruesas que puedan bombear líquido con más fuerza. A pesar de no ser tan fuerte como el tejido cardíaco real, el ventrículo impreso en 3D podría bombear entre 5 y 20 veces más volumen de líquido que las cámaras cardíacas impresas en 3D anteriores.

El equipo dice que la técnica también se puede utilizar para construir válvulas cardíacas, corazones en miniatura de dos cámaras y más.

"Las FIG son solo una herramienta que hemos desarrollado para la fabricación aditiva", dice Parker. "Tenemos otros métodos en desarrollo a medida que continuamos nuestra búsqueda para construir tejidos humanos para terapias regenerativas. El objetivo no es estar impulsado por herramientas: somos independientes de las herramientas. en nuestra búsqueda de una mejor manera de construir la biología".

Los autores adicionales incluyen a Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T. Pu y Andreas Bausch.

Este trabajo fue patrocinado por SEAS; la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Universidad de Harvard (DMR-1420570, DMR-2011754); los Institutos Nacionales de Salud y el Centro Nacional para el Avance de las Ciencias Traslacionales (UH3HL141798, 225 UG3TR003279); el Centro de Sistemas a Nanoescala (CNS) de la Universidad de Harvard, miembro de la Red Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología (NNCI) que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS-2025158, S10OD023519); y las becas posdoctorales Irving S. Sigal de la American Chemical Society.

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