Después de dos años de investigación, el experto en bioimpresión Adam Feinberg y su equipo crearon el primer modelo a tamaño completo de un corazón humano adulto utilizando su técnica Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels
(3dprint)-El modelo realista hecho a partir de conjuntos de datos de imágenes de resonancia magnética (MRI) derivadas del paciente se imprimió en cuatro días en una plataforma de impresora de bajo costo especialmente construida utilizando bioenlaces de alginato. Los últimos hallazgos del equipo se publicaron en la revista ACS Biomaterials Science and Engineering y sugieren que el modelo cardíaco bioimpreso no solo imita la sensación realista, la elasticidad y las propiedades mecánicas del tejido cardíaco, sino que también es lo suficientemente resistente para manipular, suturar y perfundir. por lo que es una herramienta ideal para la simulación y el entrenamiento quirúrgico.
Según los coautores del artículo, en su estado actual, el andamio cardíaco de tamaño completo para adultos representa un paso importante hacia la fabricación de tejidos cardíacos del tamaño de un órgano con sensación realista para que los cirujanos practiquen. También sienta las bases para la impresión de órganos de tamaño completo para la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa cardíaca. Además, sugieren que los avances presentados en el artículo titulado “ Bioimpresión en 3D FRESCA de un modelo de tamaño completo del corazón humano ” podrían ser extensibles a otros modelos de órganos, como el hígado o el riñón.
Las técnicas de impresión 3D actuales pueden producir modelos de órganos adultos de tamaño completo, pero los materiales blandos utilizados, como los elastómeros termoplásticos o las gomas de silicona, carecen de la rigidez para resistir sin soporte y se deforman fácilmente bajo la fuerza de la gravedad cuando se imprimen en el aire. Esto dificulta la fabricación de estructuras grandes y complejas, como la intrincada arquitectura interna del corazón y otros órganos. Para abordar este desafío y satisfacer una demanda no satisfecha de polímeros blandos impresos en 3D, los investigadores del laboratorio Feinberg , en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Carnegie Mellon (CMU) , inventaron la técnica de bioimpresión 3D FRESH.
La impresión FRESH 3D utiliza una aguja para inyectar bioink en un baño de hidrogel blando, que sostiene el objeto mientras se imprime. Una vez terminado, una simple aplicación de calor hace que el hidrogel se derrita, dejando solo el objeto bioimpreso en 3D. La técnica innovadora mitiga los efectos de la gravedad al incrustar el material impreso, lo que permite la impresión de forma libre de estructuras delicadas y sin soporte que de otra manera colapsarían inmediatamente en el aire.
Si bien el laboratorio de Feinberg había demostrado tanto la versatilidad como la fidelidad de la técnica FRESH, el principal obstáculo para lograr este nuevo hito fue imprimir un corazón humano a gran escala. Se requirió construir una nueva impresora 3D, hecha a medida para contener un baño de soporte de gel lo suficientemente grande como para imprimir el modelo del corazón, así como mejoras en el rendimiento de la extrusora y la impresora de la bomba de jeringa, y pequeños ajustes de software para mantener la velocidad y fidelidad de la impresión.
El equipo eligió un biomaterial derivado de algas marinas llamado alginato como bioenlace, debido a su bajo costo, relevancia biológica y capacidad de sintonización. Con un tamaño aproximado de 8 × 10 × 12 cm3, el corazón recién impreso se podía manipular fuera de la solución acuosa, mostrando la integridad estructural de la impresión. La American Chemical Society incluso mostró la innovadora construcción del corazón en un video reciente publicado. En el estudio, los autores también explicaron que una sección transversal del corazón reveló que las finas características internas sin soporte de la impresión se recrearon con precisión, incluidas las válvulas pulmonares y aórticas, así como el músculo papilar.
En el estudio, los autores también explicaron que una sección transversal del corazón reveló que las finas características internas sin soporte de la impresión se recrearon con precisión, incluidas las válvulas pulmonares y aórticas, así como el músculo papilar.
Más allá de imprimir corazones normales, el enfoque FRESH también tiene el potencial de fabricar modelos realistas estructural y mecánicamente de patologías cardíacas. Los resultados mostraron que las construcciones de alginato impresas en FRESCO pueden tener propiedades mecánicas que se encuentran en el rango del tejido cardíaco y son mucho más suaves que los elastómeros que se usan actualmente para modelos quirúrgicos.
Los hospitales importantes a menudo tienen instalaciones para imprimir modelos en 3D del cuerpo de un paciente para planificar el procedimiento real, pero estos tejidos y órganos generalmente se modelan en plástico duro o goma. Los modelos innovadores que pueden cortar, suturar y manipular de manera similar a los corazones reales son novedosos, por lo que este avance podría provocar un cambio de paradigma para los cirujanos.
«Ahora podemos construir un modelo que no solo permite la planificación visual sino que también permite la práctica física», dijo Feinberg, profesor de los Departamentos de Ingeniería Biomédica y Ciencia e Ingeniería de Materiales en CMU. «El cirujano puede manipularlo y hacer que realmente responda como tejido real, de modo que cuando ingresen al sitio de la operación tengan una capa adicional de práctica realista en ese entorno».
El objetivo inmediato de Feinberg es comenzar a trabajar con cirujanos y médicos para ajustar la técnica y garantizar que los modelos de tejido anatómicamente precisos estén listos para posibles aplicaciones de planificación y capacitación quirúrgica en entornos hospitalarios. El autor principal de la publicación e investigador estudiante graduado de bioingeniería en CMU, Eman Mirdamadi, indicó que si bien aún existen obstáculos importantes en la bioimpresión de un corazón humano funcional de tamaño completo, el equipo logró establecer las bases fundamentales utilizando la plataforma FRESH mientras mostraba aplicaciones inmediatas para simulación quirúrgica realista.
Este trabajo representa otra demostración exitosa de las capacidades de la bioimpresión FRESH, que demuestra que las construcciones de tejido cardíaco de bioimpresión a gran escala hechas de hidrogeles blandos pueden imprimirse FRESH con posibles aplicaciones de entrenamiento quirúrgico. En el futuro, el equipo espera trabajar para acelerar el proceso de impresión y aumentar la viabilidad celular para fabricar un modelo de corazón humano con una tinta celular, algo que sería imposible hoy con el diseño de impresora actual del equipo, pero que podría allanar el camino para la biofabricación, tecnología que algún día podría reparar o reemplazar órganos humanos completos.
