Artigo da Rheolution
Métodos para impressão 3D de arcabouços à base de alginato
por Dra. Dimitria Bonizol Camasao,
Especialista Sênior em Aplicações, Rheolution Inc.
Durante o primeiro mês de 2022, nos concentramos nos hidrogéis de alginato utilizados em aplicações de engenharia de tecidos e administração de medicamentos. Conforme já foi discutido no primeira publicação sobre este tema, alginato é comumente utilizado como bio-tinta na bioimpressão 3D para produzir estruturas 3D (esqueletos) contendo células ou moléculas bioativas, dependendo da aplicação. Uma característica específica das soluções de alginato é sua capacidade de se reticular rapidamente (ter suas moléculas ligadas entre si) na presença de íons (por exemplo, Ca²⁺), resultando em um hidrogel coeso que pode ser preparado em diferentes formas. Além disso, suas propriedades mecânicas finais podem ser ajustadas (pelo menos até certo ponto) variando-se os componentes utilizados em sua preparação.
Na segunda publicação Em janeiro de 2022, os hidrogéis de alginato foram reticulados com solução de CaCl₂ em diferentes concentrações e tempos crescentes. Compreender o comportamento de uma formulação específica durante a reticulação — como o tempo de iniciação e a velocidade de gelificação, bem como o potencial de inchaço e encolhimento relacionados a esse processo de gelificação — é essencial para projetar melhor os experimentos, especialmente para a impressão 3D.
Para a técnica de impressão 3D por extrusão, foram desenvolvidos diversos métodos para imprimir estruturas 3D de alginato. A solução de alginato possui viscosidade relativamente baixa e, para que seja possível imprimi-la na forma pura e submetê-la à reticulação posterior, é necessária uma otimização trabalhosa do protocolo. Por exemplo, os fabricantes de bio-tintas dispõem de protocolos detalhados, desenvolvidos para a impressão de suas bio-tintas em uma concentração específica, dentro da faixa recomendada de velocidade de impressão, pressão de extrusão, tamanho do bico, temperatura, entre outros parâmetros. Um exemplo é o alginato utilizado em uma de nossas notas de aplicação publicadas . A Cellink desenvolveu um detalhado protocolo para a impressão de sua bio-tinta em suas impressoras 3D de extrusão.
Quando um protocolo para a impressão de solução de alginato puro não está prontamente disponível ou é difícil de se obter, também foram desenvolvidos diferentes métodos para superar sua baixa viscosidade. Alguns métodos relatados incluem (Seção A na Figura 1) a pré-reticulação da solução de alginato no cilindro da seringa com solução de CaCl₂ por até 30 minutos antes da impressão [1,2], (Seção B da Figura 1) o uso de uma agulha coaxial com solução de alginato e CaCl₂ no invólucro e no núcleo, respectivamente, para reticulação rápida assim que saem da agulha durante o processo de impressão [3], e, muito comum, (Seção C na Figura 1) a mistura com outros biomateriais, como gelatina, ágar, PEG, entre outros, para melhorar a capacidade de impressão imediata [4].
Além disso, um método de impressão relativamente novo, recomendado para melhorar a fidelidade da impressão de biomateriais macios, conhecido como Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH), também pode ser utilizado para imprimir estruturas de alginato puro [5]. Nessa técnica (Seção D na Figura 1), a bio-tinta é extrudida em um banho de suporte composto por um hidrogel sacrificial que mantém a bio-tinta no lugar até que ela se gelifique. No caso do alginato, o banho de suporte também deve conter cloreto de cálcio para desencadear a reticulação. Em suma, a impressão FRESH oferece uma combinação inigualável de recursos em termos de bio-tintas, resolução, tamanho e complexidade geométrica 3D que podem ser utilizados e/ou alcançados.
Além disso, um método de impressão relativamente novo, recomendado para melhorar a fidelidade da impressão de biomateriais macios, conhecido como Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH), também pode ser utilizado para imprimir estruturas de alginato puro [5]. Nessa técnica (Seção D na Figura 1), a bio-tinta é extrudida em um banho de suporte composto por um hidrogel sacrificial que mantém a bio-tinta no lugar até que ela se gelifique. No caso do alginato, o banho de suporte também deve conter cloreto de cálcio para desencadear a reticulação. Em suma, a impressão FRESH oferece uma combinação inigualável de recursos em termos de bio-tintas, resolução, tamanho e complexidade geométrica 3D que podem ser utilizados e/ou alcançados.
Seja na forma pura ou misturado com outros biomateriais, o alginato confere ao arcabouço uma biocompatibilidade inerente, custo relativamente baixo, baixa toxicidade e gelificação suave e ajustável com a adição de cátions divalentes — fatores importantes para o encapsulamento de células ou moléculas bioativas.
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Referências
[1] Freeman, F. E., & Kelly, D. J. (2017). Ajuste da rigidez e da composição da bio-tinta de alginato para a liberação controlada de fatores de crescimento e para direcionar espacialmente o destino das MSCs em tecidos bioimpressos. Scientific Reports, 7(1), 1-12.
[2] Daly, A. C., Critchley, S. E., Rencsok, E. M., & Kelly, D. J. (2016). Uma comparação entre diferentes bio-tintas para a bioimpressão 3D de fibrocartilagem e cartilagem hialina. Biofabricação, 8(4), 045002.
[3] Zhang, Y., Yu, Y., Chen, H., & Ozbolat, I. T. (2013). Caracterização de canais microfluídicos celulares imprimíveis para engenharia de tecidos. Biofabricação, 5(2), 025004.
[4] Mallakpour, S., Azadi, E. e Hussain, C. M. (2021). Estado da arte da tecnologia de impressão 3D de hidrogéis à base de alginato — Uma técnica emergente para aplicações industriais. Avanços na Ciência Coloidal e de Interfaces, 102436.
[5] Shiwarski, D. J., Hudson, A. R., Tashman, J. W., & Feinberg, A. W. (2021). O surgimento da impressão 3D FRESH como plataforma para a biofabricação avançada de tecidos. APL Bioengineering, 5(1), 010904.
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