A bioimpressão 3D, na qual tecidos vivos são impressos com células misturadas em hidrogéis macios, ou "biotintas", é amplamente utilizada no campo da bioengenharia para modelar ou substituir tecidos em nossos corpos. A qualidade e a reprodutibilidade da impressão dos tecidos, no entanto, podem enfrentar desafios. Um dos desafios mais significativos é criado simplesmente pela gravidade — as células naturalmente afundam até o fundo da seringa da impressora de biotinta porque são mais pesadas que o hidrogel ao seu redor.

“Essa sedimentação celular, que piora durante as longas sessões de impressão necessárias para imprimir tecidos grandes, leva ao entupimento dos bicos, à distribuição irregular das células e a inconsistências entre os tecidos impressos”, explica Ritu Raman, professora titular da Cátedra Eugene Bell de Desenvolvimento de Carreira em Engenharia de Tecidos e professora assistente de engenharia mecânica no MIT. “As soluções existentes, como agitar manualmente as biotintas antes de carregá-las na impressora ou usar misturadores passivos, não conseguem manter a uniformidade depois que a impressão começa.”

Em um estudo publicado em 2 de fevereiro na revista Device , a equipe de Raman apresenta uma nova abordagem que visa solucionar essa limitação fundamental, prevenindo ativamente a sedimentação celular dentro das biotintas durante a impressão, permitindo a produção de tecidos impressos em 3D mais confiáveis e biologicamente consistentes.

“O controle preciso das propriedades físicas e biológicas da biotinta é essencial para recriar a estrutura e a função dos tecidos nativos”, afirma Ferdows Afghah, pós-doutorando em engenharia mecânica no MIT e principal autor do estudo.

“Se pudermos imprimir tecidos que imitem mais fielmente os do nosso corpo, poderemos usá-los como modelos para entender melhor as doenças humanas ou para testar a segurança e a eficácia de novos medicamentos terapêuticos”, acrescenta Raman. Esses modelos poderiam ajudar os pesquisadores a abandonar técnicas como testes em animais, o que justifica o recente interesse da Food and Drug Administration (FDA) dos EUA no desenvolvimento de novas abordagens mais rápidas, menos dispendiosas e mais informativas para estabelecer a segurança e a eficácia de novos tratamentos.

O MagMix, um misturador acionado magneticamente, é composto por duas partes: uma pequena hélice magnética que se encaixa dentro das seringas usadas pelas bioimpressoras para depositar biotintas, camada por camada, em tecidos 3D, e um ímã permanente acoplado a um motor que se move para cima e para baixo próximo à seringa, controlando o movimento da hélice interna. Juntos, esse sistema compacto pode ser montado em qualquer bioimpressora 3D padrão, mantendo as biotintas uniformemente misturadas durante a impressão, sem alterar a formulação da biotinta ou interferir na operação normal da impressora. Para testar a abordagem, a equipe usou simulações computacionais para projetar a geometria e a velocidade ideais da hélice de mistura e, em seguida, validou seu desempenho experimentalmente.

“Em diversos tipos de biotintas, o MagMix impediu a sedimentação celular por mais de 45 minutos de impressão contínua, reduzindo o entupimento e preservando a alta viabilidade celular”, afirma Raman. “O mais importante é que demonstramos que as velocidades de mistura podem ser ajustadas para equilibrar a homogeneização eficaz de diferentes biotintas, induzindo o mínimo de estresse às células. Como prova de conceito, demonstramos que o MagMix pode ser usado para imprimir em 3D células capazes de amadurecer e se transformar em tecido muscular ao longo de vários dias.”

Ao manter uma distribuição celular uniforme em processos de impressão longos ou complexos, o MagMix permite a fabricação de tecidos de alta qualidade com função biológica mais consistente. Por ser compacto, de baixo custo, personalizável e facilmente integrado a impressoras 3D existentes, o dispositivo oferece uma solução amplamente acessível para laboratórios e indústrias que trabalham com tecidos bioengenheirados reproduzíveis para aplicações na saúde humana, incluindo modelagem de doenças, triagem de medicamentos e medicina regenerativa.

Este trabalho foi parcialmente financiado pelo Laboratório de Descobertas em Segurança, Saúde e Meio Ambiente (SHED) do MIT, que fornece infraestrutura e conhecimento interdisciplinar para ajudar a traduzir inovações em biofabricação de demonstrações em escala laboratorial para aplicações escaláveis e reproduzíveis.

“No SHED, nosso foco é acelerar a transposição de métodos inovadores para ferramentas práticas que os pesquisadores possam adotar com segurança”, afirma Tolga Durak, diretor fundador do SHED. “O MagMix é um ótimo exemplo de como a combinação certa de infraestrutura técnica e apoio interdisciplinar pode impulsionar as tecnologias de biofabricação rumo a um impacto real e em larga escala.”

O envolvimento do SHED reflete uma visão mais ampla de fortalecimento dos caminhos tecnológicos que aprimoram a reprodutibilidade e a acessibilidade em toda a engenharia e ciências da vida, proporcionando acesso equitativo a equipamentos avançados e fomentando a colaboração interdisciplinar.

“À medida que a área avança em direção a sistemas de maior escala e mais padronizados, laboratórios integrados como o SHED são essenciais para a construção de capacidade sustentável”, acrescenta Durak. “Nosso objetivo não é apenas viabilizar descobertas, mas também garantir que as novas tecnologias possam ser adotadas e mantidas de forma confiável ao longo do tempo.”

A equipe também está interessada em aplicações não médicas de tecidos bioengenheirados, como o uso de músculos impressos para alimentar robôs “biohíbridos” mais seguros e eficientes.

Os pesquisadores acreditam que este trabalho pode melhorar a confiabilidade e a escalabilidade da bioimpressão 3D, tornando os impactos potenciais na área de bioimpressão 3D e na saúde humana significativos. O artigo deles, “ Avançando a homogeneidade da biotinta na bioimpressão 3D por extrusão com mistura magnética ativa in situ ”, já está disponível na revista Device .