O crescimento do tecido e o comportamento das células podem ser controlados e investigados particularmente bem ao incorporar as células em uma delicada estrutura 3-D. Isso é obtido usando métodos de impressão 3-D aditivos - as chamadas técnicas de "bioimpressão". Contudo, isso envolve uma série de desafios:Alguns métodos são muito imprecisos ou permitem apenas uma janela de tempo muito curta na qual as células podem ser processadas sem serem danificadas. Além disso, os materiais usados ​​devem ser compatíveis com as células durante e após o processo de biopriting 3-D. Isso restringe a variedade de materiais possíveis.

Um processo de bioimpressão de alta resolução com materiais completamente novos foi desenvolvido na TU Wien (Viena):Graças a uma "bio ink" especial para a impressora 3-D, as células agora podem ser incorporadas em uma matriz 3-D impressa com precisão micrométrica - a uma velocidade de impressão de um metro por segundo, ordens de magnitude mais rápido do que anteriormente possível.

O meio ambiente é importante

"O comportamento de uma célula depende crucialmente da mecânica, propriedades químicas e geométricas de seu ambiente, "diz o Prof. Aleksandr Ovsianikov, chefe do grupo de pesquisa em Impressão e Biofabricação 3-D no Instituto de Ciência e Tecnologia de Materiais (TU Wien). “As estruturas nas quais as células estão inseridas devem ser permeáveis ​​aos nutrientes para que as células possam sobreviver e se multiplicar. Mas também é importante se as estruturas são rígidas ou flexíveis, se são estáveis ​​ou se degradam com o tempo. "

É possível primeiro produzir estruturas adequadas e, em seguida, colonizá-las com células vivas, mas esta abordagem pode tornar difícil colocar as células bem no interior do andaime, e dificilmente é possível alcançar uma distribuição celular homogênea dessa forma. A opção muito melhor é incorporar as células vivas diretamente na estrutura 3-D durante a produção da estrutura - essa técnica é conhecida como "bioprinting".

Imprimir objetos 3D microscopicamente finos não é mais um problema hoje. Contudo, o uso de células vivas apresenta à ciência desafios completamente novos:"Até agora, simplesmente faltou substâncias químicas adequadas, "diz Aleksandr Ovsianikov." Você precisa de líquidos ou géis que solidificam precisamente onde você os ilumina com um feixe de laser focalizado. Contudo, esses materiais não devem ser prejudiciais às células, e todo o processo deve acontecer extremamente rápido. "

Dois fótons de uma vez

Para alcançar uma resolução extremamente alta, métodos de polimerização de dois fótons têm sido usados ​​na TU Wien há anos. Este método utiliza uma reação química que só é iniciada quando uma molécula do material absorve simultaneamente dois fótons do feixe de laser. Isso só é possível onde o feixe de laser tem uma intensidade particularmente alta. Nestes pontos, a substância endurece, enquanto permanece líquido em todos os outros lugares. Portanto, este método de dois fótons é mais adequado para produzir estruturas extremamente finas com alta precisão.

Contudo, essas técnicas de alta resolução geralmente têm a desvantagem de serem muito lentas - geralmente na faixa de micrômetros ou alguns milímetros por segundo. Na TU Wien, Contudo, materiais compatíveis com as células podem ser processados ​​a uma velocidade de mais de um metro por segundo - um passo decisivo à frente. Somente se todo o processo puder ser concluído em poucas horas é que há uma boa chance de as células sobreviverem e se desenvolverem ainda mais.

Numerosas novas opções

“Nosso método oferece muitas possibilidades de adaptação ao ambiente das células, "diz Aleksandr Ovsianikov. Dependendo de como a estrutura é construída, pode ser tornado mais rígido ou mais macio. Ainda bem, gradientes contínuos são possíveis. Desta maneira, é possível definir exatamente como a estrutura deve ser para permitir o tipo desejado de crescimento celular e migração celular. A intensidade do laser também pode ser usada para determinar a facilidade com que a estrutura será degradada com o tempo.

Ovsianikov está convencido de que este é um passo importante para a pesquisa de células:"Usando esses suportes 3-D, é possível investigar o comportamento das células com uma precisão anteriormente inatingível. É possível estudar a propagação de doenças, e se as células-tronco forem usadas, é até possível produzir tecido feito sob medida dessa forma. "

O projeto de pesquisa é uma cooperação internacional e interdisciplinar na qual três diferentes institutos da TU Viena estiveram envolvidos:O grupo de pesquisa de Ovsianikov foi responsável pela própria tecnologia de impressão, o Institute of Applied Synthesic Chemistry desenvolveu fotoiniciadores rápidos e compatíveis com as células (as substâncias que iniciam o processo de endurecimento quando iluminadas) e o Instituto de Estruturas Leves e Biomecânica Estrutural analisou as propriedades mecânicas das estruturas impressas.