Biografía impresa en 3D/4D

19 de julio de 2023

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por Revista Internacional de Fabricación Extrema

La piezoelectricidad ha sido bien reconocida como el factor clave en la regeneración ósea. Sin embargo, los andamios actuales fabricados aditivamente se centran principalmente en la reconstrucción de la estructura topológica biónica y el microambiente mecánico, mientras que se descuida el microambiente eléctrico (EM) crucial en la regeneración ósea.

La investigación, publicada en International Journal of Extreme Manufacturing, muestra el enorme potencial de la impresión 3D/4D de andamios biopiezoeléctricos para la ingeniería de tejido óseo de próxima generación.

Existe una brecha significativa entre las capacidades de las técnicas actuales de impresión 3D/4D y los requisitos de aplicación clínica de los andamios biopiezoeléctricos. Su desarrollo requiere un esfuerzo conjunto de estudios multidisciplinarios que incluyen ciencia de materiales, ingeniería mecánica y bioingeniería. Su adopción generalizada también debería inspirarse en algunas tecnologías de vanguardia, como la fabricación inteligente, la medicina biónica y el aprendizaje automático.

"En principio, esto abre el diseño y la fabricación de un andamio piezoeléctrico biológico inteligente que promueve la reparación ósea imitando el microambiente eléctrico crucial del tejido", dijo Annan Chen, becario postdoctoral de la Universidad de la ciudad de Hong Kong y primer autor del estudio. .

"Esencialmente, ofrece nueva información hacia un avance potencial en la construcción de andamios inteligentes para la ingeniería de tejido óseo de próxima generación", dijeron el profesor Chunze Yan, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, y el profesor Jian Lu, catedrático de la la Universidad de la ciudad de Hong Kong.

Esta piezoelectricidad ha sido demostrada en huesos humanos, que generan cargas positivas y negativas cuando se someten a compresión o tensión. Por ejemplo, la tibia humana puede generar un potencial piezoeléctrico de ~300 μV al caminar. Por lo tanto, los materiales piezoeléctricos muestran ventajas únicas a la hora de simular la EM de los tejidos óseos, lo que puede promover significativamente el metabolismo de las células y la formación de nuevo hueso.

Las cargas superficiales de los materiales piezoeléctricos pueden atraer iones para promover la adhesión celular a través de la interacción de iones o cargas, así como activar la expresión del factor de crecimiento para mejorar la proliferación celular y la diferenciación osteogénica.

Los andamios biopiezoeléctricos fabricados con aditivos pueden reconstruir EM del tejido deseado mediante estimulación ultrasónica no invasiva. Este comportamiento de cambio de funcionalidad dependiente del tiempo de las estructuras 3D cuando se exponen a estímulos externos también se define como impresión cuatridimensional (4D). Estos nuevos andamios biopiezoeléctricos con cambio de funcionalidad 4D pueden proporcionar un microambiente electrofisiológico programable dependiente del tiempo en respuesta a estímulos externos para la regeneración de tejidos.

Chen comenzó a experimentar con algunos materiales piezoeléctricos biológicos sin plomo que se descubrieron hace años, pero que en gran medida se ignoraron. Se centró en la impresión 3D/4D integrada entre material, topografía y biofuncionalidad de materiales biopiezoeléctricos para aplicaciones biológicas avanzadas.

Para sorpresa de los científicos, los materiales biopiezoeléctricos mostraron una excelente procesabilidad y biocompatibilidad. Es más, eran inducibles multicelulares. "Descubrimos que su microambiente eléctrico puede inducir la diferenciación de las células óseas, promover el reclutamiento de células vasculares y la reparación de las células nerviosas", dijo Chen. Esto muestra un gran potencial para aplicaciones clínicas.

Pero para la medicina clínica, lo más sorprendente fue que la estrategia de reconstitución del andamio biopiezoeléctrico fue mínimamente invasiva o no invasiva. "Con ultrasonido programable o tratamiento magnético como estímulo mecánico remoto, se puede administrar estimulación eléctrica in vivo bajo demanda con un cronograma, duración y fuerza ajustables", dijo Yan.

Chen, Yan, Lu y su laboratorio trabajaron con otros científicos de la universidad para intentar combinar las ventajas de múltiples disciplinas para promover los andamios biológicos piezoeléctricos inteligentes 3D/4D en más aplicaciones médicas. "Estamos llevando a cabo investigaciones cooperativas con expertos en ortopedia, estomatología, oncología y otros campos, y logramos los resultados de investigación esperados", afirmó Chen.

A lo largo de los años, la tecnología de impresión 3D/4D ha incorporado muchas ventajas observadas en las técnicas de producción tradicionales. Aunque todavía queda un largo camino por recorrer desde el banco hasta la cama, el equipo expresa optimismo sobre el futuro de la impresión 3D/4D. "La impresión 3D/4D de andamios biopiezoeléctricos integra plenamente los beneficios de múltiples disciplinas como la ciencia de los materiales, la ingeniería mecánica y la bioingeniería; su gran desarrollo requiere un esfuerzo conjunto multidisciplinario", afirmó el profesor Lu.

"Con los esfuerzos colaborativos de estudios multidisciplinarios, se espera que la impresión 3D/4D alcance pronto su máximo potencial en la creación de andamios biopiezoeléctricos inteligentes para la ingeniería de tejidos de próxima generación. Además, también podemos inspirarnos en algunas tecnologías de vanguardia como como fabricación inteligente, medicina biónica y aprendizaje automático, para promover aún más la aplicación clínica de esta tecnología".

Más información: Annan Chen et al, Andamios inteligentes biopiezoeléctricos impresos en 3D/4D para la ingeniería de tejido óseo de próxima generación, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/acd88f

Proporcionado por Revista Internacional de Fabricación Extrema