¿Una tirita para el corazón? Un nuevo método de impresión 3D hace posible esto y mucho más
Publicado originalmente por Lisa Marshall, Nicholas Goda, Universidad de Colorado en Boulder, el 1 de agosto de 2024
En la búsqueda de materiales similares a los reales para sustituir y reparar partes del cuerpo humano, los científicos se enfrentan a un reto formidable: Los tejidos reales suelen ser resistentes y elásticos, y varían en forma y tamaño.
Un equipo de la Universidad de California en Boulder, en colaboración con investigadores de la Universidad de Pensilvania, ha dado un paso decisivo para descifrar ese código. Han desarrollado una nueva forma de imprimir en 3D un material que es a la vez lo bastante elástico para resistir los latidos persistentes de un corazón, lo bastante resistente para soportar la carga de aplastamiento que soportan las articulaciones y fácil de moldear para adaptarse a los defectos únicos de un paciente.
Y lo que es mejor, se adhiere fácilmente al tejido húmedo.
Su avance, descrito en la edición del 2 de agosto de la revista Science, ayuda a allanar el camino hacia una nueva generación de biomateriales, desde vendajes internos que administran fármacos directamente al corazón hasta parches de cartílago y suturas sin agujas.
"Los tejidos cardíaco y cartilaginoso se parecen en que tienen una capacidad muy limitada para repararse a sí mismos. Cuando se dañan, ya no hay vuelta atrás", explica el autor principal Jason Burdick, profesor de ingeniería química y biológica del Instituto BioFrontiers de la CU Boulder. "Desarrollando materiales nuevos y más resistentes para mejorar ese proceso de reparación, podemos tener un gran impacto en los pacientes".
Gusanos como inspiración
Históricamente, los dispositivos biomédicos se han creado mediante moldeado, técnicas que funcionan bien para la producción en masa de implantes idénticos, pero no son prácticas cuando se trata de personalizar esos implantes para pacientes concretos. En los últimos años, la impresión 3D ha abierto un mundo de nuevas posibilidades para las aplicaciones médicas al permitir a los investigadores fabricar materiales de muchas formas y estructuras.
A diferencia de las impresoras típicas, que se limitan a colocar tinta sobre papel, las impresoras 3D depositan capa tras capa de plásticos, metales o incluso células vivas para crear objetos multidimensionales.
Un material concreto, conocido como hidrogel (el material del que están hechas las lentes de contacto), ha sido uno de los favoritos para fabricar tejidos, órganos e implantes artificiales.
Pero llevarlos del laboratorio a la clínica ha sido difícil porque los hidrogeles tradicionales impresos en 3D tienden a romperse cuando se estiran, a agrietarse bajo presión o son demasiado rígidos para moldearse alrededor de los tejidos.
"Imagina que tuvieras un plástico rígido adherido a tu corazón. No se deformaría con los latidos del corazón", explica Burdick. "Simplemente se fracturaría".
Para conseguir resistencia y elasticidad en los hidrogeles impresos en 3D, Burdick y sus colegas se inspiraron en los gusanos, que se enredan y desenredan repetidamente unos alrededor de otros en "manchas de gusano" tridimensionales que tienen propiedades tanto sólidas como líquidas. Investigaciones anteriores han demostrado que la incorporación de cadenas de moléculas entrelazadas de forma similar, conocidas como "enredos", puede hacerlas más resistentes.
Su nuevo método de impresión, conocido como CLEAR (Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation), sigue una serie de pasos para entrelazar moléculas largas dentro de materiales impresos en 3D de forma muy parecida a esos gusanos entrelazados.
Cuando el equipo estiró y cargó con peso esos materiales en el laboratorio (una investigadora incluso pasó por encima de una muestra con su bicicleta), descubrió que eran exponencialmente más resistentes que los materiales impresos con un método estándar de impresión 3D conocido como Procesamiento Digital de la Luz (DLP). Y lo que es mejor: También se ajustaban y pegaban a los tejidos y órganos animales.
"Ahora podemos imprimir en 3D materiales adhesivos que son lo suficientemente fuertes como para soportar mecánicamente el tejido", dijo el co-primer autor Matt Davidson, investigador asociado en el Laboratorio Burdick. "Nunca antes habíamos podido hacerlo".
Revoluciona el cuidado del enfermo
Burdick imagina el día en que estos materiales impresos en 3D puedan utilizarse para reparar defectos cardíacos, administrar fármacos regeneradores de tejidos directamente a órganos o cartílagos, sujetar discos abultados o incluso suturar al paciente en el quirófano sin dañar los tejidos como lo harían una aguja y una sutura.
Su laboratorio ha solicitado una patente provisional y tiene previsto iniciar pronto más estudios para comprender mejor cómo reaccionan los tejidos ante la presencia de tales materiales.
Este material impreso en 3D es a la vez fuerte, extensible, moldeable y pegajoso. Crédito: Universidad de Colorado en Boulder
Pero el equipo subraya que su nuevo método podría tener repercusiones mucho más allá de la medicina, también en la investigación y la fabricación. Por ejemplo, su método elimina la necesidad de energía adicional para curar o endurecer las piezas, lo que hace que el proceso de impresión 3D sea más respetuoso con el medio ambiente.
"Se trata de un método de procesamiento 3D sencillo que la gente podría utilizar en última instancia en sus propios laboratorios académicos, así como en la industria, para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales para una amplia variedad de aplicaciones", dijo el primer autor Abhishek Dhand, investigador del Laboratorio Burdick y candidato a doctor en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Pensilvania. "Resuelve un gran problema para la impresión 3D".
Otros coautores del artículo son Hannah Zlotnick, investigadora postdoctoral del laboratorio Burdick, y los científicos del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) Thomas Kolibaba y Jason Killgore.
Más información: Abhishek P. Dhand et al, Additive manufacturing of highly entangled polymer networks, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adn6925
Información de la revista: Science
Proporcionado por Proporcionado por Universidad de Colorado en Boulder
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