Válvulas cardíacas bioinspiradas e impresas en 3D
Los andamios creados mediante electroforesis por fusión pretenden favorecer la formación de nuevos tejidos
Los investigadores han desarrollado válvulas cardíacas artificiales impresas en 3D, diseñadas para permitir que las células del propio paciente formen nuevos tejidos. Para formar estos andamios mediante electroforesis por fusión -una técnica avanzada de fabricación aditiva-, el equipo ha creado una nueva plataforma de fabricación que les permite combinar diferentes patrones precisos y personalizados y, por tanto, ajustar las propiedades mecánicas del andamio. Su objetivo a largo plazo es crear implantes para niños que se conviertan en tejido nuevo y, por tanto, duren toda la vida.
Petra Mela, catedrática de Materiales e Implantes Médicos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), y el doctorando Kilian Meuller examinan una válvula cardíaca artificial producida con la tecnología de fabricación aditiva por electroerosión.
Andreas Heddergott / TUM
En el cuerpo humano, cuatro válvulas cardíacas se encargan de que la sangre fluya en la dirección correcta. Es esencial que las válvulas del corazón se abran y cierren correctamente. Para cumplir esta función, el tejido de las válvulas cardíacas es heterogéneo, lo que significa que las válvulas cardíacas presentan diferentes propiedades biomecánicas dentro del mismo tejido.
Un equipo de investigadores que trabaja con Petra Mela, catedrática de Materiales e Implantes Médicos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM), y con la profesora Elena De-Juan Pardo, de la Universidad de Australia Occidental, ha imitado por primera vez esta estructura heterogénea mediante un proceso de impresión en 3D denominado "melt electrowriting". Para ello, han desarrollado una plataforma que facilita la impresión de patrones personalizados precisos y su combinación, lo que les ha permitido afinar diferentes propiedades mecánicas dentro del mismo andamio.
La electroescritura por fusión permite crear andamios de fibra precisos y personalizados
La electroescritura por fusión es una tecnología de fabricación aditiva relativamente nueva que utiliza un alto voltaje para crear patrones precisos de fibras de polímero muy finas. Un polímero se calienta, se funde y se empuja fuera de un cabezal de impresión en forma de chorro líquido para formar las fibras.
Durante este proceso, se aplica un campo eléctrico de alto voltaje que reduce considerablemente el diámetro del chorro de polímero acelerándolo y tirando de él hacia un colector. El resultado es una fibra fina con un diámetro que suele oscilar entre los cinco y los cincuenta micrómetros. Además, el campo eléctrico estabiliza el chorro de polímero, lo que es importante para crear patrones definidos y precisos.
La "escritura" del chorro de fibra según patrones predefinidos se realiza mediante un colector móvil controlado por ordenador. Al igual que cuando se mueve una rebanada de pan debajo de una cuchara que gotea miel, la plataforma móvil recoge la fibra emergente a lo largo de una trayectoria definida. El usuario especifica esta trayectoria programando sus coordenadas.
Para reducir considerablemente el esfuerzo de programación asociado a la creación de estructuras complejas para válvulas cardíacas, los investigadores desarrollaron un software que permite asignar fácilmente diferentes patrones a distintas regiones del andamio eligiendo entre una biblioteca de patrones disponibles. Además, las especificaciones geométricas, como la longitud, el diámetro y el grosor del andamio, pueden ajustarse fácilmente a través de la interfaz gráfica.
Los andamios para válvulas cardíacas son compatibles con las células y biodegradables
El equipo utilizó policaprolactona (PCL) de calidad médica para la impresión 3D, que es compatible con las células y biodegradable. La idea es que, una vez implantadas las válvulas cardíacas de PCL, las células del propio paciente crezcan en el andamio poroso, como ha sucedido en los primeros estudios de cultivo celular. Así, las células podrían formar un nuevo tejido antes de que el andamio de PCL se degrade.
El andamio de PCL está incrustado en un material similar a la elastina que imita las propiedades de la elastina natural presente en las válvulas cardíacas reales y proporciona microporos más pequeños que los poros de la estructura de PCL. El objetivo es dejar espacio suficiente para que las células se asienten, pero sellar las válvulas adecuadamente para el flujo sanguíneo.
Las válvulas diseñadas se probaron con un sistema circulatorio de flujo simulado que simulaba la presión y el flujo sanguíneos fisiológicos. Las válvulas cardíacas se abrieron y cerraron correctamente en las condiciones examinadas.
Las nanopartículas permiten la visualización mediante resonancia magnética
El material de PCL se siguió desarrollando y evaluando junto con Franz Schilling, catedrático de Resonancia Magnética Biomédica, y Sonja Berensmeier, catedrática de Ingeniería de Bioseparación de la TUM. Al modificar el PCL con nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro, los investigadores pudieron visualizar los andamios mediante resonancia magnética. El material modificado sigue siendo imprimible y compatible con las células. Esto podría facilitar el traslado de la tecnología a las clínicas, ya que los andamios pueden ser monitorizados tras su implantación.
"Nuestro objetivo es diseñar válvulas cardíacas bioinspiradas que favorezcan la formación de nuevos tejidos funcionales en los pacientes. Los niños se beneficiarían especialmente de esta solución, ya que las válvulas cardíacas actuales no crecen con el paciente y, por lo tanto, tienen que ser reemplazadas a lo largo de los años en múltiples cirugías. Nuestras válvulas cardíacas, en cambio, imitan la complejidad de las válvulas cardíacas nativas y están diseñadas para que las propias células del paciente se infiltren en el andamio", afirma Petra Mela.
El siguiente paso en el camino hacia la clínica serán los estudios preclínicos en modelos animales. El equipo también trabaja en la mejora de la tecnología y el desarrollo de nuevos biomateriales.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Saidy, N. T., Fernández-Colino, A., Heidari, B. S., Kent, R., Vernon, M., Bas, O., Mulderrig, S., Lubig, A., Rodríguez-Cabello, J. C., Doyle, B., Hutmacher, D. W., De-Juan-Pardo, E. M., Mela, P., Spatially Heterogeneous Tubular Scaffolds for In Situ Heart Valve Tissue Engineering Using Melt Electrowriting. Adv.Funct.Mater. 2022, 2110716.
Mueller, K. M. A., Topping, G.J., Schwaminger, S.P., Zou, Y., Rojas-González, D. M., De.Juan-Pardo, E., Berensmeier, S., Schilling, F., Mela, P., Visualization of USPIO-labeled melt-electrowritten scaffolds by non-invasive magnetic resonance imaging, Biomater.Sci. 2021,9, 4607-4612.
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