Biotintas
Tecnología con potencial regenerativo para la producción de modelos 3D de tejidos y órganos.-
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Participantes
Estudiantes de posgrado — Depto. de Ingeniería Biomédica, Uniandes | Apoyo experimental y caracterización
Objetivo
Desarrollar un hidrogel fotoentreable y extruible a partir de matrices extracelulares descelularizadas (dECMs) bioquímicamente modificadas, con nanomateriales electroconductores integrados, que permita la fabricación de andamios biológicos mediante bioimpresión 3D con propiedades mecánicas, reológicas y eléctricas ajustables para la regeneración de tejidos que sean despolarizables/excitables, tales como el cardíaco, muscular, neural, y como adhesivo para hueso. Problema que resuelve:
Las biotintas existentes para impresión 3D basadas en matrices extracelulares descelularizadas presentan limitaciones como:
- Propiedades reológicas insuficientes para ser extruidos de forma controlada a través de una boquilla, lo que compromete la fidelidad de forma del constructo impreso
- Ausencia de mecanismos de reticulación eficientes que proporcionen estabilidad estructural post-impresión sin dañar las células embebidas
- No cuentan con electroconductividad, que es esencial para estimular la maduración de tejidos que dependen de señales eléctricas.
- Las estrategias de reticulación UV reportadas en literatura, para entonces, habían demostrado ser poco eficaces para obtener resultados óptimos en gelificación
- Los materiales sintéticos alternativos no replican con fidelidad el microentorno bioquímico nativo que las células requieren para proliferar y diferenciarse.
Principales Hallazgos
Reología y Exctruibilidad
a. Todos los hidrogeles que se probaron (SIS, SISMA, SISMA-GO) exhibieron comportamiento pseudoplástico (shear-thinning), lo que quiere decir que su viscosidad disminuye al aumentar la tasa de corte, lo que los hace aptos para extrusión por boquilla.
b. La modificación con metacriloilo (SISMA vs. SIS) aumentó la viscosidad base en aproximadamente 10 veces. La formulación de 25 mg/mL fue la única capaz de formar un filamento continuo y estable al extruirse manualmente (10 y 20 mg/mL no formaron filamento).
Electroconductividad
a. La incorporación de GO a SISMA confiere electroconductividad al material.
b. La conductividad eléctrica de SISMA-GO supera a la de SISMA sin GO. Esto es relevante para aplicaciones en tejidos excitables que requieren señales eléctricas para maduración funcional.
Microestructura (SEM)
a. Las imágenes de microscopía electrónica muestran una red fibrosa densa tras gelificación térmica a 37°C (SISMA reticulado por temperatura) y una red más densa y menos porosa tras irradiación con luz visible (SISMA-GO), consistente con un mayor grado de reticulación.
Adhesión ósea
a. El hidrogel de SISMA con quitosano metacriloilado (CTS-MA) actúa como bioadhesivo óseo extruible.
b. El complejo hidrogel-hueso mantiene unión bajo condiciones fisiológicas durante más de dos meses, sin desprendimiento en la interfaz hidrogel-hueso.
Viabilidad celular en bioimpresión
a. Los constructos bioimpresos con human adipose-derived mesenchymal stem cells hAD-MSCs embebidas muestran viabilidad celular cercana al 100% inmediatamente tras la impresión, con una reducción a 70% tras 72 h de incubación.
Estado actual
a. La tecnología cuenta con dos patentes de invención concedida y ha sido validada en nivel TRL 4–5 (validación en laboratorio/entorno relevante).
b. Se han probado 9 composiciones diferentes con variantes de ECM, GO y polímeros naturales adicionales (quitosano, colágeno, hialurónico, fibronectina).
Metodología
Se toman tejidos biológicos reales, específicamente la submucosa del intestino delgado porcino (SIS) y la membrana amniótica placentaria (PAM), y se someten a un proceso de “limpieza profunda” denominado descelularización. En este proceso, se elimina todo el material celular (ej. ADN, membranas), dejando únicamente la base proteica natural del tejido, que es rica en colágeno, laminina, elastina y glicosaminoglicanos. A dicha base proteica se le agrega un grupo químico denominado metacriloilo que le permite adherirse entre sí o solidificarse cuando se expone a cierta intensidad de luz visible, sin necesitar temperaturas extremas ni productos tóxicos para las células. Adicionalmente, se incorporan nanopartículas de óxido de grafeno (GO) para que el material pueda conducir electricidad, como lo haría el tejido natural del corazón o el músculo. El resultado es un gel que puede inyectarse o imprimirse en 3D con alta precisión y que, al exponerse a luz azul, forma una estructura sólida que sirve de andamio para el crecimiento y la organización celular.
Alcance e impacto de la investigación
Aplicaciones potenciales y mercados objetivo:
• Medicina Regenerativa y Cirugía: La biotinta puede emplearse para bioimpresión in situ de constructos que reparen defectos en tejidos cardíacos, musculares, neurales, óseos y cartilaginosos. La electroconductividad del material es importante para aplicaciones cardíacas y neurológicas, en las que las señales eléctricas son indispensables para la maduración funcional del tejido.
• Bioadhesivo Quirúrgico: La formulación con quitosano metacriloilado tiene capacidades adhesivas demostradas en hueso bovino bajo condiciones de humedad y fisiológicas durante más de dos meses, por lo que podría funcionar como bioadhesivo óseo en cirugía ortopédica y osteología.
• Industria Farmacéutica y de Drug Delivery: La presencia de nanomateriales funcionalizables en la superficie del GO permite inmovilizar moléculas bioactivas (péptidos antimicrobianos, antiinflamatorios, antienvejecimiento) y liberarlas de forma controlada mediante estímulos eléctricos, abriendo un nicho en sistemas de liberación controlada y terapia local.
• Modelos In Vitro y Plataformas de Investigación: Los constructos 3D bioimpresos pueden usarse como modelos de enfermedad (cardíaco, muscular, neural, óseo), plataformas de prueba de fármacos y estructuras para investigación básica en biología celular, reduciendo el uso de modelos animales.
• Industria de Dispositivos Médicos: El material puede usarse para fabricar injertos conductores, andamios para órganos impresos in vitro y estructuras para el mantenimiento y crecimiento de células, integrándose en la cadena de valor de la medicina de precisión y los órganos en chip.
Beneficiarios directos
• Pacientes con enfermedades cardiovasculares, lesiones musculoesqueléticas y daño neural.
• Cirujanos en ortopedia, cirugía cardiovascular y de reconstrucción.
• Laboratorios de investigación en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa.
• Empresas de biotecnología y dispositivos médicos que desarrollen productos para reparación tisular.
