Esta ilustração mostra um ventrículo cardíaco impresso em 3D projetado com tinta com infusão de fibra. Crédito: Harvard SEAS
Por Kat J. McAlpine/SEAS Communications
Na última década, os avanços na impressão 3D abriram novas possibilidades para os bioengenheiros construírem tecidos e estruturas cardíacas. Seus objetivos incluem criar melhores in vitro plataformas para descobrir novas terapêuticas para doenças cardíacas, a principal causa de morte nos Estados Unidos, responsável por cerca de uma em cada cinco mortes a nível nacional, e utilizar tecidos cardíacos impressos em 3D para avaliar quais tratamentos podem funcionar melhor em pacientes individuais. Um objetivo mais distante é fabricar tecidos implantáveis que possam curar ou substituir estruturas defeituosas ou doentes dentro do coração de um paciente.
Num artigo publicado em Materiais da Naturezapesquisadores de Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas Harvard John A. Paulson (SEAS) e o Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard relatam o desenvolvimento de uma nova tinta de hidrogel infundida com fibras de gelatina que permite a impressão 3D de um ventrículo cardíaco funcional que imita os batimentos de um coração humano. Eles descobriram que a tinta em gel com infusão de fibra (FIG) permite que as células do músculo cardíaco impressas no formato de um ventrículo se alinhem e batam em coordenação como uma câmara cardíaca humana.
“As pessoas têm tentado replicar estruturas e funções de órgãos para testar a segurança e eficácia dos medicamentos como forma de prever o que pode acontecer no ambiente clínico”, diz Suji Choi, investigador associado do SEAS e primeiro autor do artigo. Mas até agora, as técnicas de impressão 3D por si só não foram capazes de alcançar um alinhamento fisiologicamente relevante dos cardiomiócitos, as células responsáveis pela transmissão de sinais elétricos de forma coordenada para contrair o músculo cardíaco.
“Iniciamos este projeto para resolver algumas das inadequações na impressão 3D de tecidos biológicos.”
-Kevin “Equipment” Parker
A inovação está na adição de fibras a uma tinta imprimível. “A tinta FIG é capaz de fluir através do bico de impressão, mas, uma vez impressa, a estrutura mantém seu formato 3D”, diz Choi. “Devido a essas propriedades, descobri que é possível imprimir uma estrutura semelhante a um ventrículo e outras formas 3D complexas sem usar materiais de suporte ou andaimes extras.”
Este vídeo mostra o batimento espontâneo de um músculo cardíaco impresso em 3D. Crédito: Harvard SEAS.
Para criar a tinta FIG, Choi aproveitou um técnica de fiação a jato rotativo desenvolvido no laboratório de Kevin “Equipment” ParkerPh.D. que fabrica materiais de microfibra usando uma abordagem semelhante à forma como o algodão doce é fiado. O pesquisador de pós-doutorado e Wyss Lumineer Luke MacQueen, coautor do artigo, propôs a ideia de que fibras criadas pela técnica de fiação a jato rotativo poderiam ser adicionadas a uma tinta e impressas em 3D. Parker é membro do corpo docente associado da Wyss e professor da família Tarr de bioengenharia e física aplicada no SEAS.
“Quando Luke desenvolveu este conceito, a visão period ampliar a gama de escalas espaciais que poderiam ser impressas com impressoras 3D, eliminando o limite inferior, reduzindo-o à escala nanométrica”, diz Parker. “A vantagem de produzir as fibras com fiação a jato rotativo em vez de eletrofiação” – um método mais convencional para gerar fibras ultrafinas – “é que podemos usar proteínas que de outra forma seriam degradadas pelos campos elétricos na eletrofiação”.
Usando o jato rotativo para fiar fibras de gelatina, Choi produziu uma folha de materials com aparência semelhante ao algodão. Em seguida, ela usou a sonificação – ondas sonoras – para quebrar a camada em fibras com cerca de 80 a 100 micrômetros de comprimento e cerca de 5 a ten micrômetros de diâmetro. Então, ela dispersou essas fibras em uma tinta de hidrogel.
“Este conceito é amplamente aplicável – podemos usar nossa técnica de fiação de fibras para produzir fibras de maneira confiável nos comprimentos e formatos que desejarmos.”
–Suji Choi
O aspecto mais difícil foi solucionar o problema da proporção desejada entre fibras e hidrogel na tinta para manter o alinhamento das fibras e a integridade geral da estrutura impressa em 3D.
À medida que Choi imprimia estruturas 2D e 3D usando tinta FIG, os cardiomiócitos se alinhavam em conjunto com a direção das fibras dentro da tinta. Ao controlar a direção da impressão, Choi poderia, portanto, controlar como as células do músculo cardíaco se alinhariam.
O modelo de ventrículo 3D de engenharia de tecidos. Crédito: Harvard SEAS
Quando ela aplicou estimulação elétrica em estruturas impressas em 3D feitas com tinta FIG, ela descobriu que isso desencadeou uma onda coordenada de contrações alinhadas com a direção dessas fibras. Numa estrutura em forma de ventrículo, “foi muito emocionante ver a câmara realmente bombeando de maneira semelhante ao bombeamento dos ventrículos cardíacos reais”, diz Choi.
Ao experimentar mais instruções de impressão e fórmulas de tinta, ela descobriu que poderia gerar contrações ainda mais fortes em formatos semelhantes a ventrículos.
“Comparado ao coração actual, nosso modelo de ventrículo é simplificado e miniaturizado”, diz ela. A equipe está agora trabalhando para construir tecidos cardíacos mais realistas, com paredes musculares mais espessas, que possam bombear fluidos com mais força. Apesar de não ser tão forte quanto o tecido cardíaco actual, o ventrículo impresso em 3D poderia bombear de 5 a 20 vezes mais quantity de fluido do que as câmaras cardíacas impressas em 3D anteriores.
A equipe diz que a técnica também pode ser usada para construir válvulas cardíacas, corações em miniatura com câmara dupla e muito mais.
“Os FIGs são apenas uma ferramenta que desenvolvemos para fabricação aditiva”, diz Parker. “Temos outros métodos em desenvolvimento à medida que continuamos a nossa busca para construir tecidos humanos para terapêutica regenerativa. O objetivo não é ser orientado por ferramentas – somos agnósticos em relação a ferramentas em nossa busca por uma maneira melhor de construir biologia.”
Autores adicionais incluem Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T Pu e Andreas Bausch.
Este trabalho foi patrocinado pela SEAS; a Nationwide Science Basis por meio do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da Universidade de Harvard (DMR-1420570, DMR-2011754); os Institutos Nacionais de Saúde e o Centro Nacional para o Avanço das Ciências Translacionais (UH3HL141798, 225 UG3TR003279); o Centro de Sistemas em Nanoescala da Universidade de Harvard (CNS), membro da Rede Nacional de Infraestrutura Coordenada em Nanotecnologia (NNCI), apoiada pela Nationwide Science Basis (ECCS-2025158, S10OD023519); e as bolsas de pós-doutorado Irving S. Sigal da American Chemical Society.
Instituto Wyss
utiliza os princípios de design da Natureza para desenvolver materiais e dispositivos bioinspirados que transformarão a medicina e criarão um mundo mais sustentável.
O Wyss Institute utiliza os princípios de design da Natureza para desenvolver materiais e dispositivos bioinspirados que transformarão a medicina e criarão um mundo mais sustentável.