Mais de 113, 000 pessoas estão atualmente na lista nacional de transplantes. E com a escassez de doadores, isso significa que cerca de 20 pessoas morrerão todos os dias enquanto esperam por um órgão, de acordo com o Departamento de Saúde dos EUA.

Mas isso pode mudar graças aos pesquisadores da UC Berkeley, que desenvolveram um dispositivo que pode ser fundamental para a viabilidade da bioimpressão, uma extensão da impressão 3D que permite tecidos vivos, osso, vasos sanguíneos e até órgãos inteiros sejam impressos sob demanda. Um artigo sobre este trabalho foi publicado recentemente no Journal of Medical Devices .

Atualmente, há dois obstáculos principais no caminho da impressão de órgãos. Como as células vivas e os órgãos em funcionamento requerem temperatura especializada e condições químicas para sobreviver, as células se deterioram durante a impressão 3D real de um grande órgão porque o processo é muito lento. E mesmo que o órgão possa ser impresso em 3D, a logística de transporte requer armazenamento, que sempre foi um gargalo para transplantes.

Para minimizar a morte celular durante a impressão 3D de um órgão, os pesquisadores de Berkeley desenvolveram uma técnica que emprega paralelização, em que várias impressoras produzem camadas 2D de tecidos simultaneamente. Essas camadas 2D são então empilhadas camada por camada para formar estruturas 3D.

Para superar o problema de armazenamento desses órgãos fabricados, a equipe contou com sete décadas de conhecimento e técnicas para a preservação de células isoladas. Sua técnica congela cada camada 2D imediatamente após ela ser fundida na estrutura 3D, e este processo de congelamento de uma única camada de células fornece condições ideais para sobreviver ao processo de congelamento, armazenamento e transporte.

"Agora mesmo, a bioimpressão é usada principalmente para criar um pequeno volume de tecido. O problema com a bioimpressão 3D é que é um processo muito lento, então você não pode imprimir nada grande porque os materiais biológicos irão se deteriorar quando você terminar. Uma das nossas inovações é que congelamos o material à medida que vai sendo impresso, para que o material biológico seja preservado, e podemos controlar a taxa de congelamento, "disse Boris Rubinsky, professor de engenharia mecânica e coautor do artigo.

Rubinsky também observou que, ao imprimir tecidos em 2D primeiro e depois montá-los em um objeto 3D em uma estação diferente, sua equipe acelerou significativamente a produção, essencialmente eliminando o tempo de impressão. Depois que a linha de montagem de bioprinters cria em paralelo várias camadas 2-D de tecido, um braço robótico - ampliado por alunos de mestrado em engenharia - pega a camada e a carrega para outra estação. Lá, os tecidos são empilhados para criar um objeto 3D e fundidos por congelamento.

"À medida que cada camada é empilhada para formar uma estrutura 3D, uma das inovações que implementamos foi mergulhar a estrutura 3D em um banho criogênico para congelá-la, em vez de encher o banho para atender cada camada, "disse Joseph Sahyoun (Meng '18, ME) e co-autor do artigo. "Este método nos permitiu controlar a taxa de congelamento com mais precisão."

Além de órgãos, outra aplicação potencial para essa tecnologia são os alimentos. A impressão e montagem camada por camada permite que os fabricantes explorem diferentes texturas de alimentos. Também lhes permite desenvolver alimentos que atendam às necessidades dos doentes.

"A disfagia é muito comum entre a população geriátrica. Como esses pacientes têm dificuldade para engolir, eles estão sendo alimentados com comida que é basicamente mingau, então eles não têm apetite, e o problema se agrava, "disse Rubinsky." Mas se você pode criar comida com textura, isso pode ser mais apetitoso. Então, enquanto eles mastigam, a comida derrete na boca para que eles possam engolir e obter os nutrientes. Nossa tecnologia permite que você faça isso com qualquer tipo de alimento. "

Ele lembra que a tecnologia também permite o desenvolvimento da fabricação em escala industrial de alimentos congelados, onde a estrutura dos cristais de gelo no alimento é meticulosamente controlada na camada de células individuais em todo o produto.

"Isso é importante porque o tamanho dos cristais de gelo e a homogeneidade dos cristais de gelo são um elemento central na qualidade dos alimentos congelados, "disse Rubinsky.

Embora o conceito de empilhar camadas finas para criar um objeto 3D não seja novo na manufatura, é uma novidade fazer isso com materiais biológicos.

“Há uma grande diferença entre os materiais usados ​​na laminação convencional - como o papel, plásticos, cerâmicas e metais - que são rígidos, mesmo em camadas finas, e matéria biológica consistindo principalmente de líquido que é muito menos ", disse Gideon Ukpai, um estudante de pós-graduação no laboratório de Rubinsky e principal autor do artigo. "

Então, a equipe usou superfícies rígidas hidrofílicas e hidrofóbicas criteriosamente projetadas nas quais as camadas 2D são impressas. Essas camadas especialmente projetadas permitem que as camadas 2D sejam transportadas por distâncias, independentemente da direção da gravidade, para colocação em um objeto 3D.

Além de pesquisar, Ukpai também serviu como mentor do mestre de estudantes de engenharia, todos listados como co-autores no artigo. Para pesquisas futuras, Ukpai e um novo grupo de alunos de mestrado de engenharia do Fung Institute trabalharão para otimizar melhor este processo, caracterizar os produtos e determinar os cenários apropriados que apresentam mais vantagens.