O que é bioimpressão FRESH e como funciona?

Você já sonhou acordado com a ideia, típica da ficção científica, de tratar os ferimentos de um paciente em um tanque de rejuvenescimento flutuante? O fenômeno que permite essa suspensão, a flutuabilidade neutra, parece ter inspirado pesquisadores a descobrirem uma solução para a impressão 3D de materiais com tintas macias e semelhantes a líquidos, que teriam grande dificuldade em manter a fidelidade da impressão no ar, já que as forças da gravidade as fariam desmoronar. Apesar de fluidos de suporte à base de água (como os usados nos tanques de flutuação) nunca funcionarem com os hidrogéis à base de água amplamente utilizados em aplicações de engenharia de tecidos, essa ideia de impressão 3D em um banho de suporte evoluiu para minimizar os efeitos da gravidade por meio do uso de materiais gelatinosos capazes de apresentar comportamentos reversíveis, ora sólidos, ora semelhantes aos de líquidos, permitindo a deposição de hidrogel em seu interior.

Neste mês de novembro, exploramos a bioimpressão por “Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels” (FRESH), uma abordagem de bioimpressão por incorporação especificamente otimizada para viabilizar a impressão de bio-tintas macias e de baixa viscosidade, semelhantes a líquidos, amplamente utilizadas em aplicações de engenharia de tecidos. De modo geral, pode-se pensar na bioimpressão 3D incorporada como uma câmara de construção preenchida com um material de suporte, dentro da qual biomateriais e células são depositados no espaço 3D por meio de uma extrusora baseada em seringa. O método FRESH permite, então, a impressão de hidrogéis biológicos não modificados, como o colágeno tipo I e a MEC descelularizada, com bio-tintas de alta densidade carregadas de células para a fabricação de tecidos funcionais de engenharia.

O principal desafio de engenharia nessa abordagem é desenvolver um material para o banho de suporte capaz de sustentar as estruturas impressas flexíveis à medida que são extrudadas e curadas, ao mesmo tempo em que permita o fácil deslocamento da agulha da extrusora através do banho de suporte durante a impressão. Especificamente, o requisito reológico para o material do banho de suporte é que ele deve se comportar como um sólido abaixo de um limiar de tensão de cisalhamento aplicada, ou seja, a tensão de escoamento, na qual ele passa de um comportamento sólido para um comportamento semelhante ao de um líquido. Ao redor da agulha, o comportamento semelhante ao de um líquido do banho de suporte (tensão de cisalhamento aplicada superior à tensão de escoamento) permite o fácil deslocamento da agulha. Assim que a agulha se afasta, o banho de suporte se solidifica novamente (tensão de cisalhamento aplicada inferior à tensão de escoamento). A tensão de escoamento ideal para o banho de suporte depende dos materiais que estão sendo impressos, do diâmetro e do comprimento da agulha e de parâmetros do processo, como a velocidade de impressão [1].

O método de impressão FRESH apresenta várias vantagens notáveis. Em primeiro lugar, sua versatilidade. Embora o FRESH tenha sido originalmente descrito utilizando um banho de suporte à base de gelatina [2], o desenvolvimento de diferentes banhos permitiu a impressão de materiais macios com a mais ampla gama de mecanismos de gelificação (Figura 1). Além disso, como os agentes de reticulação são misturados no banho, o filamento de bio-tinta extrudado é imediatamente exposto ao líquido por todos os lados, o que inicia rapidamente um processo simultâneo de gelificação. Isso contrasta com a impressão ao ar livre, onde as formas de iniciar a gelificação são limitadas. Em segundo lugar, o banho de suporte proporciona um ambiente que previne a morte celular e mantém alta viabilidade celular durante o processo de impressão. Além do controle de temperatura, a parte aquosa do banho de suporte pode ser composta por meios de cultura celular, fatores de crescimento ou qualquer outra biomolécula destinada a proteger a sobrevivência celular. Consequentemente, a terceira vantagem principal da técnica é o tamanho das estruturas que podem ser impressas. Até o momento, a maioria das estruturas de tecido bioimpressas em 3D tem sido relativamente pequena quando comparada aos tecidos ou órgãos que se destinam a substituir. A técnica FRESH já foi utilizada para criar um modelo físico do coração humano em escala neonatal a partir de colágeno tipo I, com base em dados de imagens de ressonância magnética [3]. E os pesquisadores afirmam que essa técnica tem o potencial de se tornar uma tecnologia de manufatura aditiva escalável, capaz de produzir tecidos em escala real com base em dados anatômicos específicos de cada paciente.