Cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, Cingapura (NTU Cingapura) encontrou uma maneira de usar pólen de girassol para desenvolver um material de tinta de impressão 3D que poderia ser usado para fabricar peças úteis para engenharia de tecidos, teste de toxicidade e administração de drogas.

Esta tinta derivada do pólen é capaz de manter sua forma quando depositada em uma superfície, tornando-se uma alternativa viável às tintas atuais usadas para impressão 3D no campo biomédico (também conhecido como bioprinting). Essas tintas são geralmente macias e delicadas, tornando-se um desafio reter a forma e estrutura 3D desejadas do produto final enquanto a bioimpressora deposita a tinta camada por camada.

Para ilustrar a funcionalidade de sua tinta de impressão 3D à base de pólen, os cientistas da NTU de Cingapura imprimiram um 'andaime' de tecido biológico que, em estudos de laboratório, demonstrou ser adequado para adesão e crescimento celular, que são essenciais para a regeneração do tecido.

Este novo uso para o pólen, descrito em artigo científico que foi capa de revista científica Materiais Funcionais Avançados, destaca seu potencial como um material alternativo sustentável para as tintas de bioimpressão atuais, disse a equipe de pesquisa.

O co-autor do estudo, Professor Cho Nam-Joon, da Escola de Ciências e Engenharia de Materiais da NTU, disse:"A bioprinting pode ser desafiadora porque o material das tintas usadas é geralmente muito mole, o que significa que a estrutura do produto previsto pode entrar em colapso durante a impressão. Através do ajuste das propriedades mecânicas do pólen de girassol, desenvolvemos uma tinta híbrida à base de pólen que pode ser usada para imprimir estruturas com boa integridade estrutural. Utilizar pólen para impressão 3D é uma conquista significativa, pois o processo de fabricação da tinta à base de pólen é sustentável e acessível. Dado que existem vários tipos de espécies de pólen com tamanhos distintos, formas, e propriedades de superfície, as suspensões de microgel de pólen podem ser potencialmente usadas para criar uma nova classe de materiais de impressão 3D ecologicamente corretos. "

O co-autor do estudo, Professor Assistente Song Juha, da Escola de Engenharia Química e Biomédica da NTU, disse:"Nossas descobertas podem abrir novas portas para membranas flexíveis personalizadas que se ajustam exatamente aos contornos da pele humana, como pensos para feridas ou máscaras faciais. Essas membranas macias e flexíveis são geralmente fabricadas com base na geometria plana, resultando assim em problemas como fraturas nas camadas ou um ajuste inadequado quando aplicado em grandes áreas superficiais da pele, como o rosto ou áreas que apresentam movimentos frequentes, como as articulações. Usando nossa tinta de impressão 3D à base de pólen, que é biocompatível, flexível, e de baixo custo, podemos fabricar membranas adaptadas aos contornos da pele humana e capazes de dobrar sem quebrar. "

A equipe de pesquisa também inclui o professor assistente Jang Taesik, da Chosun University, na Coreia do Sul.

Professor Paul S. Weiss, Distinto Professor de Química e Bioquímica, Bioengenharia, e de Ciência e Engenharia de Materiais na Universidade da Califórnia, Los Angeles, que não estava envolvido no estudo, disse que "o pólen é um bionanomaterial fascinante e sustentável com uma infinidade de utilizações. Song, Cho, e suas equipes agora o adicionaram ao arsenal do que pode ser estruturado em escalas maiores por meio da manufatura aditiva, impressao 3D, incorporando-o a uma tinta. "

Dr. Jeffrey S. Glenn, Diretor do Centro de Engenharia de Hepatite e Tecido Hepático da Stanford Medicine, que não estava envolvido no estudo, acrescentou que "este é um artigo muito empolgante que mostra a capacidade de imprimir estruturas personalizadas em 3D para fabricação e distribuição de medicamentos de forma sustentável, barato, e material não tóxico. "

Como a tinta híbrida à base de pólen é desenvolvida

O método de bioimpressão mais amplamente usado hoje é a bioimpressão baseada em extrusão, em que as tintas são dispensadas continuamente dos bicos e depositadas ao longo de caminhos definidos digitalmente para fabricar estruturas 3D camada por camada.

Um dos desafios deste método é a dificuldade em reter as estruturas 3D e as formas de materiais delicados e macios como os hidrogéis, células, e biopolímeros sem suporte adicional. Uma estrutura chamada matriz de suporte, dentro do qual a tinta macia é depositada durante o processo de impressão, é normalmente usado. Contudo, isso cria desperdício, pois a matriz de suporte se torna inutilizável após a impressão.

Asst Prof Song disse:"Os esforços de pesquisa anteriores se concentraram no desenvolvimento de bioinks especiais para deposição e capacidade de impressão eficientes por meio da mistura de hidrogéis com fibras ou partículas. A principal desvantagem de tais tintas compostas de hidrogel é o entupimento do bico, o que é um problema mais significativo em tintas com um conteúdo mais alto dessas fibras ou partículas. A tinta híbrida à base de pólen que desenvolvemos, em contraste, é mecanicamente forte o suficiente para reter sua estrutura sem obstruir a impressora. "

O processo de desenvolvimento da tinta híbrida à base de pólen começa com a incubação de pólen de girassol resistente em uma solução alcalina - um processo ecológico semelhante à fabricação de sabão - por seis horas para formar partículas de microgel de pólen.

O microgel de pólen é então misturado com hidrogéis, como alginato, um polímero de ocorrência natural tipicamente obtido a partir de algas marrons, ou ácido hialurônico, uma clara, substância pegajosa produzida naturalmente pelo corpo, para formar a tinta híbrida pólen-hidrogel final.

Estrutura à base de pólen para cultura de células e distribuição de drogas

Como prova de conceito, os cientistas imprimiram um andaime de engenharia de tecidos de cinco camadas, útil para a cultura de células, em 12 minutos. O colágeno foi então adicionado ao andaime para fornecer pontos de ancoragem aos quais as células podem aderir e crescer.

Os cientistas então semearam células humanas no andaime e descobriram que ele tinha uma alta eficiência de semeadura de células de 96% a 97%. Este é um desempenho comparável ao dos hidrogéis de cristal coloidal invertido (ICC) que são amplamente utilizados como plataformas de cultura de células 3D, mas que são demorados e trabalhosos para fabricar.

Dado que o pólen responde às mudanças de pH - quando um ambiente se torna ácido ou alcalino - a equipe da NTU também testou a viabilidade do andaime 3D como um sistema de entrega de drogas responsivo a estímulos. Quando um corante vermelho fluorescente foi pingado no andaime, os cientistas descobriram que as partículas do microgel de pólen liberaram o corante no andaime gradualmente. A quantidade e a taxa de liberação aumentaram com a adição de um ácido. Isso mostra que há potencial para o andaime de pólen ser usado como um sistema de entrega de drogas com liberação controlada, disseram os cientistas. O professor Cho disse:"As partículas de microgel de pólen têm uma estrutura de casca oca, o que significa que podem ser potencialmente usados ​​para transportar drogas, células, ou biomoléculas em plataformas de entrega de drogas com estruturas 3D personalizadas. Agora estamos vendo como podemos usar essas estruturas de microgel de pólen para plataformas de cultura de células 3D em várias aplicações biomédicas.

"Também há potencial para o andaime baseado em pólen ser usado como um portador de drogas inteligente, dada a natureza responsiva ao estímulo do pólen. Por exemplo, podemos desacelerar ainda mais a liberação de drogas revestindo o andaime à base de pólen com uma fina camada de alginato, e estimular a liberação pela introdução de um ácido. "

Estrutura de suporte baseada em pólen para tintas de impressão 3D macias

Os cientistas também descobriram que as partículas macias e flexíveis do microgel de pólen, derivado de grãos de pólen resistentes, poderia servir potencialmente como uma matriz de suporte reciclável, para uso em impressão 3D de forma livre, em que a tinta macia é depositada. A matriz de suporte evita o colapso da estrutura impressa à medida que a tinta cura.

Para testar a viabilidade de sua abordagem, os cientistas fabricaram uma malha de borracha de silicone impressa em 3D para o cotovelo, usando microgel de pólen como o suporte que manteria a forma da malha do cotovelo à medida que ela fosse impressa.

Depois de curar o produto impresso a 75 ° C (167 ° F) por 24 horas dentro do microgel de pólen, os cientistas descobriram que a malha de borracha de silicone 3D impressa pode se adaptar à curvatura do cotovelo humano. Eles também descobriram que as propriedades mecânicas das amostras de borracha de silicone impressas e curadas na matriz de suporte do microgel de pólen eram semelhantes às das amostras fabricadas pelo método tradicional de fundição.

O uso de pólen no campo biomédico se baseia no trabalho da equipe de pesquisa da NTU sobre o reaproveitamento de grãos de pólen, um recurso natural renovável, em um bloco de construção para vários materiais alternativos ecológicos, de papel ecológico a esponjas biodegradáveis ​​que podem absorver os poluentes do óleo.

Esta pesquisa está alinhada com as ambições de pesquisa da NTU em seu plano estratégico de 2025 para traduzir invenções e criatividade em resultados que aumentem os benefícios econômicos e a qualidade de vida.

A equipe agora está procurando colaborar com a indústria para refinar sua inovação de impressão 3D e avançar sua aceitação comercial.