Imagínese si los médicos pudieran imprimir con precisión las cápsulas en miniatura capaces de administrar células necesarias para la reparación de tejidos exactamente donde se necesitan adentro Un corazón latido. Un equipo de científicos dirigido por Caltech ha dado un paso significativo hacia ese objetivo final, ya que ha desarrollado un método para polímeros de impresión 3D en lugares específicos en profundidad dentro de los animales vivos. La técnica se basa en el sonido para la localización y ya se ha utilizado para imprimir cápsulas de polímeros para la administración selectiva de fármacos, así como polímeros en forma de pegamento para sellar heridas internas.
Anteriormente, los científicos han utilizado luz infrarroja para desencadenar la polimerización, la vinculación de las unidades básicas o monómeros de los polímeros dentro de los animales vivos. «Pero la penetración infrarroja es muy limitada. Solo llega justo debajo de la piel», dice Wei Gao, profesor de ingeniería médica en Caltech e investigador del Instituto de Investigación Médica Heritage. «Nuestra nueva técnica alcanza el tejido profundo y puede imprimir una variedad de materiales para una amplia gama de aplicaciones, todo mientras mantiene una excelente biocompatibilidad».
Gao y sus colegas informan su nueva técnica de impresión 3D in vivo en el diario Ciencia. Junto con los geles y polímeros bioadhesivos para el suministro de fármacos y celulares, el documento también describe el uso de la técnica para imprimir hidrogeles bioeléctricos, que son polímeros con materiales conductivos integrados para su uso en el monitoreo interno de signos vitales fisiológicos como en electrocardiogramas (ECGS). El autor principal del estudio es Elham Davoodi, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Utah, quien completó el trabajo mientras era académico postdoctoral en Caltech.
El origen de una idea novedosa
Queriendo encontrar una manera de realizar una impresión in vivo de tejido profundo, Gao y sus colegas se convirtieron en ultrasonido, una plataforma que se usa ampliamente en biomedicina para una penetración de tejido profundo. Pero necesitaban una forma de desencadenar la reticulación, o la unión de monómeros, en una ubicación específica y solo cuando lo deseaban.
Se les ocurrió un enfoque novedoso: combinar ultrasonido con liposomas de baja temperatura. Dichos liposomas, vesículas esféricas similares a células con capas de grasa protectores, a menudo se usan para la administración de fármacos. En el nuevo trabajo, los científicos cargaron los liposomas con un agente de reticulación y los integraron en una solución de polímero que contenía los monómeros del polímero que querían imprimir, un agente de contraste de imágenes que revelaría cuándo había ocurrido la reticulación y la carga que esperaban entregar un medicamento terapéutico, por ejemplo. Se pueden incluir componentes adicionales, como células y materiales conductores como nanotubos de carbono o plata. El bioink compuesto se inyectó directamente en el cuerpo.
Elevar la temperatura solo un toque para la impresión de activación
Las partículas de liposomas son sensibles a baja temperatura, lo que significa que al usar ultrasonido enfocado para elevar la temperatura de una pequeña región dirigida en aproximadamente 5 grados centígrados, los científicos pueden desencadenar la liberación de su carga útil e iniciar la impresión de polímeros.
«Aumentar la temperatura en unos pocos grados Celsius es suficiente para que la partícula de liposomas libere a nuestros agentes de reticulación», dice Gao. «Donde se liberan los agentes, ahí es donde ocurrirá la polimerización o impresión localizada».
El equipo utiliza vesículas de gas derivadas de bacterias como agente de contraste de imágenes. Las vesículas, cápsulas llenas de aire de proteínas, aparecen fuertemente en la imagen de ultrasonido y son sensibles a los cambios químicos que tienen lugar cuando la solución de monómero líquido se transmite para formar una red de gel. Las vesículas realmente cambian el contraste, detectadas por imágenes de ultrasonido, cuando se realiza la transformación, lo que permite a los científicos identificar fácilmente cuándo y precisamente dónde ha ocurrido la reticulación de la polimerización, lo que les permite personalizar los patrones impresos en animales vivos.
El equipo llama a la nueva técnica la plataforma de impresión de sonido (DISP) de tejido profundo.
Cuando el equipo usó la plataforma Disp para imprimir polímeros cargados con doxorrubicina, un fármaco quimioterapéutico, cerca de un tumor de vejiga en ratones, encontraron sustancialmente más muerte de células tumorales durante varios días en comparación con los animales que recibieron el fármaco a través de la inyección directa de soluciones de fármacos.
«Ya hemos demostrado en un animal pequeño que podemos imprimir hidrogeles cargados de drogas para el tratamiento tumoral», dice Gao. «Nuestra próxima etapa es tratar de imprimir en un modelo de animales más grande y, con suerte, en el futuro cercano, podemos evaluar esto en humanos».
El equipo también cree que el aprendizaje automático puede mejorar la capacidad de la plataforma DISP para ubicar y aplicar con precisión ultrasonido enfocado. «En el futuro, con la ayuda de la IA, nos gustaría poder desencadenar autónomas la impresión de alta precisión dentro de un órgano en movimiento, como un corazón de paliza», dice Gao.
El trabajo fue apoyado por la financiación de los Institutos Nacionales de Salud, la Sociedad Americana del Cáncer, el Instituto de Investigación Médica del Patrimonio y la Iniciativa de Desafío en UCLA. La microscopía de fluorescencia se realizó en el laboratorio avanzado de microscopía óptica/espectroscopía y el Centro Leica de Excelencia en el Instituto de Nanosistemas de California en UCLA.
