Artigo da Rheolution
O que é Bioprinting 4D e sua importância na Biomedicina
por Dr. Antoine Frayssinet,
especialista sênior em aplicações da Rheolution Inc.
O que diferencia a bioimpressão 4D da impressão 3D?
Objetos impressos em 3D com células incorporadas, destinados ao implante no corpo humano, são projetados para aliviar pontualmente uma degeneração ou doença específica. No entanto, esses implantes são estáticos e inanimados, em contraste com o ambiente dos tecidos nativos, que é dinâmico, onde os tecidos são submetidos, ao longo do tempo, a estímulos biofísicos, bioquímicos e mecânicos variáveis. Com a bioimpressão 4D, a comunidade científica integrou recentemente o “tempo” como a quarta dimensão: os arcabouços e hidrogéis têm a capacidade de evoluir ao longo do tempo após serem impressos, seja biologicamente, seja com a aplicação de um estímulo externo.
Como os estímulos provocam mudanças de forma em biomateriais 4D?
Em primeiro lugar, a mudança de forma pós-impressão pode ser induzida submetendo-se o hidrogel a estímulos físicos, como, por exemplo, um campo magnético, uma variação de temperatura (por exemplo, com poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm) ou poli(ε-caprolactona) (PCL)), irradiação de luz ou umidade (por exemplo, com polietilenoglicol (PEG) de dupla camada). A publicação da semana passada, “Artigo do Mês” sobre bioimpressão 4D, apresentou um exemplo concreto de um hidrogel à base de alginato, sensível à luz e capaz de se dobrar em formas complexas, dependendo da exposição à luz induzida após a impressão. A complexidade das formas projetadas pode ser bastante impressionante; por exemplo, a equipe do Dr. Lewis utilizou fibrilas de celulose misturadas com acrilamida para reproduzir o desenho de uma flor de orquídea com tinta composta biocompatível (Figura abaixo) [3]. Esses hidrogéis extrudados em massa podem, portanto, mudar de forma após serem impressos. O efeito desejado após a impressão, no entanto, pode ser diferente.
Como a bioimpressão 4D pode possibilitar a liberação controlada de medicamentos?
A forma pode ser projetada durante o processo de impressão por meio de uma abordagem multiescala — por exemplo, com bioimpressão a jato de tinta —, e a liberação dos fármacos encapsulados pode ser acionada posteriormente. Os lipossomas — microesferas lipídicas de dupla camada que imitam sinteticamente as membranas celulares — foram, por exemplo, impressos contendo duas concentrações diferentes de sal. Aproveitando esse gradiente de osmolaridade induzido, os autores conseguiram moldar macrossferas 3D que, mediante alteração de temperatura ou pH, liberavam os componentes carregados no interior de cada microesfera impressa [4].
O que são micronadadores e como funcionam?
Outro grupo da ETH Zürich desenvolveu nano-hidrogéis com gelatina metacrilada (GelMA) fotocrosslinkável e não citotóxica. Desenvolvidos especificamente para a administração direcionada de medicamentos, esses nano-hidrogéis, também chamados de “micronadadores”, tornaram-se magneticamente responsivos por meio da incorporação de nanopartículas magnéticas em sua superfície [5]. Impressos com formato de hélice para otimizar seu desempenho de natação em fluidos corporais, esses microswimmers são transportadores estáveis de medicamentos que podem ser direcionados por campos magnéticos aos tecidos-alvo. Uma vez posicionados, eles podem liberar o fármaco com o qual foram carregados e, em seguida, ser rapidamente (5 a 15 minutos) degradados pela colagenase (enzima que digere colágeno e gelatina), gerando resíduos de degradação não citotóxicos. Nesse caso, a quarta dimensão se expressa como a degradação enzimática do gel em um curto período de tempo.
Como os gatilhos biológicos influenciam os biomateriais 4D?
De fato, sinais biológicos, como a concentração de glicose ou enzimas específicas, podem exercer influência sobre os hidrogéis impressos. Um estudo conjunto entre a Universidade da Carolina do Norte, nos EUA, e a Universidade de Soochow, na China, divulgado em 2018, relatou um biomaterial à base de álcool polivinílico (PVA) sensível às espécies reativas de oxigênio (ROS), produzidas biologicamente nos microambientes tumorais. Com essa biodegradação projetada, o hidrogel à base de PVA foi capaz de potencializar a resposta antitumoral in vivo e prevenir a recorrência do tumor por meio da liberação local do fármaco antitumoral, antes de ser degradado após 3 semanas [6]. Seguindo o mesmo princípio, biomateriais sensíveis ao pH, como colágeno, gelatina e queratina, poderiam ser úteis próximo a locais de inflamação, onde os valores de pH caem.
Como as células promovem a maturação 4D dos hidrogéis?
A funcionalidade dos hidrogéis regenerativos também pode ser desenvolvida progressivamente com o amadurecimento da própria estrutura de suporte, na qual as células semeadas, respondendo ao seu ambiente, funcionarão como uma microfábrica para produzir suas próprias matrizes e perfis fenotípicos, adaptados ao tecido degenerado alvo (ver Figura acima). A natureza dessa microprodução pode ser ajustada por meio de fatores de crescimento, fatores de diferenciação (no caso de células-tronco semeadas) ou, por exemplo, pelas propriedades mecânicas do implante [7]. Levar em conta essa atividade celular ao desenvolver um biomaterial para uso clínico não se opõe à própria estimulação do biomaterial após a impressão. Seguindo uma técnica de origami, Kuribayashi-Shigetomi et al. conseguiram aproveitar a força de tração celular dos fibroblastos (células comuns fusiformes) para gerar microestruturas 3D complexas, como um cubo, uma esfera ou um tubo oco. Nesse caso, as células foram semeadas em microplacas de vidro parcialmente revestidas com fibronectina. A quarta dimensão foi introduzida por meio da capacidade dessas células de exercer tração sobre seu ambiente ao longo do tempo, utilizada para projetar arcabouços 3D [8].
Aplicações na vida real: stents e curativos inteligentes
Nos últimos anos, biomateriais impressos em 4D foram estudados para o desenvolvimento de stents — estruturas ocas colocadas, por exemplo, em uma artéria ou veia, para reforçar sua estrutura. O médico pode inserir facilmente o stent enrolado no tecido humano e, em seguida, por meio de um estímulo específico, expandi-lo para que ele sustente o vaso sanguíneo de forma eficiente. Projetos bem-sucedidos foram produzidos com um biomaterial à base de PEG metacrilado, alginato ou ácido hialurônico [9][10]. Para encerrar esta breve revisão com uma última aplicação, um curativo inteligente também foi desenvolvido pela equipe do Dr. Akbari no Canadá: o curativo detecta infecções bacterianas monitorando o valor do pH (com um display externo de cores específicas, marcadores visuais que variam de acordo com o pH medido). Assim que a infecção é detectada, o hidrogel impresso libera agentes antibióticos no local da ferida para combater a infecção [11].
O que vem por aí para a bioimpressão 4D nas ciências da vida?
Com diversas aplicações, a bioimpressão 4D é uma tecnologia muito promissora para a área biomédica. Ainda existem desafios a serem superados, como o controle do alinhamento celular para permitir uma imitação mais fiel dos tecidos nativos. Um exemplo desse alinhamento celular microanisotrópico foi relatado no estudo apresentado em nosso Artigo do Mês publicado em março. Outro desafio significativo é desenvolver bio-tintas com características adequadas ao tecido degenerado em questão, em termos de propriedades mecânicas, população celular e fenótipo, bem como natureza e complexidade da matriz extracelular. De modo geral, utilizando os diferentes processos de bioimpressão 3D apresentados em nosso último Artigo da Rheolution Em abril, a bioimpressão 4D avança de forma otimista, passando dos estudos de “prova de conceito” para aplicações clínicas.
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Referências
[1] Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., Xu, F., (2016). 4D Bioprinting for Biomedical Applications. Trends Biotechnology, Special Issue: Biofabrication, 34, 746–756.
[2] Yang, Q., Gao, B., Xu, F., (2020). Recent Advances in 4D Bioprinting. Biotechnology Journal, 15, 1900086.
[3] Sydney Gladman, A., Matsumoto, E.A., Nuzzo, R.G., Mahadevan, L., Lewis, J.A., (2016). Biomimetic 4D printing. Nature Materials, 15, 413–418.
[4] Villar, G., Graham, A.D., Bayley, H., (2013). A Tissue-Like Printed Material. Science, 340, 48–52.
[5] Wang, X., Qin, X.-H., Hu, C., Terzopoulou, A., Chen, X.-Z., Huang, T.-Y., Maniura-Weber, K., Pané, S., Nelson, B.J., (2018). 3D Printed Enzymatically Biodegradable Soft Helical Microswimmers. Advanced Functional Materials, 28, 1804107.
[6] Wang, C., Wang, J., Zhang, X., Yu, S., Wen, D., Hu, Q., Ye, Y., Bomba, H., Hu, X., Liu, Z., Dotti, G., Gu, Z., (2018). In situ formed reactive oxygen species-responsive scaffold with gemcitabine and checkpoint inhibitor for combination therapy. Science Translational Medicine, 10(429), eaan3682.
[7] Engler, A.J., Sen, S., Sweeney, H.L., Discher, D.E., (2006). Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification. Cell, 126, 677–689.
[8] Kuribayashi-Shigetomi, K., Onoe, H., Takeuchi, S., (2012). Cell Origami: Self-Folding of Three-Dimensional Cell-Laden Microstructures Driven by Cell Traction Force. PLOS ONE, 7, e51085.
[9] Ge, Q., Sakhaei, A.H., Lee, H., Dunn, C.K., Fang, N.X., Dunn, M.L., (2016). Multimaterial 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers. Scientific Reports, 6, 31110.
[10] Kirillova, A., Maxson, R., Stoychev, G., Gomillion, C.T., Ionov, L., (2017). 4D Biofabrication Using Shape-Morphing Hydrogels. Advanced Materials, 29(46).
[11] Mirani, B., Pagan, E., Currie, B., Siddiqui, M.A., Hosseinzadeh, R., Mostafalu, P., Zhang, Y.S., Ghahary, A., Akbari, M., (2017). An Advanced Multifunctional Hydrogel-Based Dressing for Wound Monitoring and Drug Delivery. Advanced Healthcare Materials, 6(19).
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