Os cientistas combinaram a tecnologia de impressão 3D a laser e um processo de imersão alternativo para construir estruturas 3D complexas que imitam a microestrutura óssea. Esta é a primeira demonstração deste método de fabricação e levará ao desenvolvimento de sistemas de cultura de células 3D que podem suportar enxertos ósseos ou criar medula óssea artificial.



A pesquisa deles foi publicada na revista ACS Biomaterials Science &Engineering , e é capa da edição publicada em 12 de fevereiro de 2024.

O osso é um material híbrido composto por substâncias orgânicas e inorgânicas, principalmente fibras colágenas e um mineral inorgânico denominado hidroxiapatita (HAp). As fibras de colágeno mineralizadas se reúnem para formar uma estrutura hierárquica que proporciona excelente resistência mecânica e tenacidade ao osso cortical. O osso cortical é a forte camada externa dos ossos longos.

As microestruturas da medula óssea, chamadas de nicho da medula óssea, funcionam como reguladores das células-tronco hematopoiéticas. Estas são células primitivas que se desenvolvem em todos os tipos de células sanguíneas. No entanto, o mecanismo pelo qual o nicho da medula óssea mantém as células-tronco hematopoiéticas permanece obscuro.

O transplante de células-tronco hematopoiéticas oferece uma estratégia possível para o tratamento de leucemia, linfoma e doenças imunológicas. Mas é difícil para as células-tronco hematopoiéticas se expandirem para fora do corpo. Assim, a criação de um modelo de transplante que imite o ambiente da medula óssea pode ser uma solução para estes desafios, permitindo que as células estaminais hematopoiéticas se multipliquem in vitro e depois sejam transplantadas. Além disso, um modelo que imite o ambiente da medula óssea poderia ajudar a esclarecer o mecanismo de manutenção das células-tronco hematopoiéticas na medula óssea in vivo.

Em pesquisas anteriores, os cientistas desenvolveram biomateriais baseados em HAp que imitam a microestrutura óssea. Eles usaram técnicas de microfabricação para criar modelos 3D com HAp, com o objetivo de construir uma microestrutura óssea que imitasse um ambiente biológico. Materiais revestidos com HAp têm sido usados ​​como substitutos ósseos in vivo para ligar osso defeituoso usando implantação. A pesquisa anterior mostrou que os materiais revestidos com HAp podem fornecer um ambiente que suporta a função celular e exibe uma alta afinidade com o osso.

No entanto, houve limitações nesta pesquisa anterior. "Tem sido difícil fabricar materiais compósitos orgânicos e inorgânicos 3D com estrutura precisa por impressão 3D a laser", disse Kazutoshi Iijima, professor associado da faculdade de engenharia da Universidade Nacional de Yokohama.

A estereolitografia de varredura a laser, uma tecnologia de impressão 3D, pode produzir modelos de ossos em alta definição. A equipe escolheu um método de fabricação que combina estereolitografia de varredura a laser com um processo alternativo de imersão. Com este método de fabricação, a equipe construiu modelos de hidrogel microdimensionados de metacrilato de gelatina polimerizada, um polímero reticulável biocompatível que é usado em bioimpressão. Eles modificaram os modelos com HAp usando o processo de imersão alternada com uma solução de íons cálcio e fosfato. Este estudo é a primeira demonstração da modificação do HAp em modelos impressos em 3D com estrutura mais complexa, utilizando o processo de imersão alternativo.

Eles projetaram e fabricaram modelos simples em forma de linha e um modelo piramidal com estrutura complexa. Isso permitiu modificar os modelos fabricados de vários tamanhos com HAp, utilizando o método de processo de imersão alternativo, sem alterar a microestrutura criada pela estereolitografia.

Eles testaram seus modelos sob várias condições, alterando o tempo de imersão e o número de ciclos alternativos do processo de imersão. A equipe conseguiu controlar a espessura da camada HAp alterando as condições do processo de imersão alternativo. Eles analisaram os modelos da linha composta e investigaram o mecanismo de formação de HAp por processo de imersão alternada nos hidrogéis.

"Ao combinar a tecnologia de impressão 3D a laser e o processo de imersão alternativo, tornou-se possível construir materiais compósitos precisos de metacrilato de gelatina 3D e hidroxiapatita com estrutura precisa", disse Hiroki Miyajima, professor assistente especialmente nomeado da faculdade de engenharia da Universidade Nacional de Yokohama. .

Olhando para o futuro, a equipe espera desenvolver modelos de ossos e medula óssea que imitem a microestrutura dos ossos que contribuem para a medicina regenerativa, como a regeneração do tecido ósseo e a expansão das células-tronco hematopoiéticas.

A equipe de pesquisa inclui Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo e Kazutoshi Iijima da Universidade Nacional de Yokohama, Japão.

Mais informações: Hiroki Miyajima et al, Microfabrication of Gelatina Metacrilato/Hidroxiapatita Utilizando Processo de Imersão Alternativo, ACS Biomaterials Science &Engineering (2023). DOI:10.1021/acsbiomaterials.3c01046
Fornecido pela Universidade Nacional de Yokohama