Artículo de Rheolution
Métodos para imprimir en 3D andamios a base de alginato
por la Dra. Dimitria Bonizol Camasao,
Especialista sénior en aplicaciones de Rheolution Inc.
Durante el primer mes de 2022, nos centramos en los hidrogeles de alginato que se usan en ingeniería de tejidos y en aplicaciones de administración de fármacos. Como ya se ha comentado en el primera publicación sobre este tema, el alginato Se suele usar como bio-tinta en la bioimpresión 3D para crear estructuras tridimensionales (andamios) que contienen células o moléculas bioactivas, según la aplicación. Una característica especial de las soluciones de alginato es su capacidad para reticularse rápidamente (es decir, que sus moléculas se unan entre sí) en presencia de iones (por ejemplo, Ca²⁺), lo que da lugar a un hidrogel cohesivo que se puede preparar con diferentes formas. Además, sus propiedades mecánicas finales se pueden ajustar (al menos hasta cierto punto) variando los componentes que se usan en su preparación.
En la segunda publicación En enero de 2022, se reticularon hidrogeles de alginato con una solución de CaCl₂ a diferentes concentraciones y durante tiempos progresivamente mayores. Entender el comportamiento de una formulación concreta durante la reticulación —como el tiempo de inicio y la velocidad de gelificación, así como el posible hinchamiento y contracción relacionados con este proceso de gelificación— es clave para diseñar mejor los experimentos, sobre todo para la impresión 3D.
En cuanto a la técnica de impresión 3D por extrusión, se han desarrollado numerosos métodos para imprimir estructuras 3D de alginato. La solución de alginato tiene una viscosidad relativamente baja y, para poder imprimirla sin diluir y reticularla posteriormente, se necesita una laboriosa optimización del protocolo. Por ejemplo, los fabricantes de biotintas cuentan con protocolos detallados que se han desarrollado para imprimir sus biotintas a una concentración específica dentro del rango recomendado de velocidad de impresión, presión de extrusión, tamaño de la boquilla y temperatura, entre otros parámetros. Un ejemplo es el alginato que se usa en una de nuestras notas de aplicación publicadas . Cellink ha desarrollado un detallado protocolo para imprimir su bio-tinta en sus impresoras 3D de extrusión.
Cuando no hay un protocolo disponible para imprimir con una solución de alginato puro, o resulta complicado conseguirlo, también se han desarrollado otros métodos para solucionar el problema de su baja viscosidad. Algunos de los métodos descritos incluyen (sección A de la figura 1) la reticulación previa de la solución de alginato en el cilindro de la jeringa con una solución de CaCl₂ durante un máximo de 30 minutos antes de la impresión [1,2], (sección B de la figura 1) el uso de una aguja coaxial con alginato y solución de CaCl₂ en la capa exterior y el núcleo, respectivamente, para que se produzca una reticulación rápida en cuanto salen de la aguja durante el proceso de impresión [3], y, algo muy habitual, (sección C de la figura 1) la mezcla con otros biomateriales como la gelatina, el agar o el PEG, entre otros, para mejorar la capacidad de impresión inmediata [4].
Además, también se puede utilizar un método de impresión relativamente nuevo, recomendado para mejorar la fidelidad de impresión de los biomateriales blandos y conocido como «Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels» (FRESH), para imprimir estructuras de alginato puro [5]. En esta técnica (sección D de la figura 1), la bio-tinta se extruye en un baño de soporte compuesto por un hidrogel sacrificial que mantiene la bio-tinta en su sitio hasta que se gelifica. En el caso del alginato, el baño de soporte también debe contener cloruro de calcio para activar la reticulación. En conjunto, la impresión FRESH ofrece una combinación inigualable de posibilidades en cuanto a biotintas, resolución, tamaño y complejidad geométrica 3D que se pueden utilizar y/o conseguir.
Además, también se puede utilizar un método de impresión relativamente nuevo, recomendado para mejorar la fidelidad de impresión de los biomateriales blandos y conocido como «Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels» (FRESH), para imprimir estructuras de alginato puro [5]. En esta técnica (sección D de la figura 1), la bio-tinta se extruye en un baño de soporte compuesto por un hidrogel sacrificial que mantiene la bio-tinta en su sitio hasta que se gelifica. En el caso del alginato, el baño de soporte también debe contener cloruro de calcio para activar la reticulación. En conjunto, la impresión FRESH ofrece una combinación inigualable de posibilidades en cuanto a biotintas, resolución, tamaño y complejidad geométrica 3D que se pueden utilizar y/o conseguir.
Ya sea puro o mezclado con otros biomateriales, el alginato aporta al andamio una biocompatibilidad inherente, un coste relativamente bajo, baja toxicidad y una gelificación suave y ajustable mediante la adición de cationes divalentes, factores importantes para la encapsulación de células o moléculas bioactivas.
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Referencias
[1] Freeman, F. E. y Kelly, D. J. (2017). Ajuste de la rigidez y la composición de la bio-tinta de alginato para la liberación controlada de factores de crecimiento y para dirigir espacialmente el destino de las MSC en tejidos bioimpresos. Scientific Reports, 7(1), 1-12.
[2] Daly, A. C., Critchley, S. E., Rencsok, E. M. y Kelly, D. J. (2016). Comparación de diferentes biotintas para la bioimpresión en 3D de fibrocartílago y cartílago hialino. Biofabricación, 8(4), 045002.
[3] Zhang, Y., Yu, Y., Chen, H. y Ozbolat, I. T. (2013). Caracterización de canales microfluídicos celulares imprimibles para la ingeniería de tejidos. Biofabricación, 5(2), 025004.
[4] Mallakpour, S., Azadi, E. y Hussain, C. M. (2021). Últimos avances en la tecnología de impresión 3D de hidrogeles a base de alginato: una técnica emergente para aplicaciones industriales. Advances in Colloid and Interface Science, 102436.
[5] Shiwarski, D. J., Hudson, A. R., Tashman, J. W. y Feinberg, A. W. (2021). El auge de la impresión 3D FRESH como plataforma para la biofabricación avanzada de tejidos. APL Bioengineering, 5(1), 010904.
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