Estructuras impresas en hielo podrían ayudar a científicos en la ingeniería de vasos sanguíneos
Mediante impresiones tridimensionales, se persigue la creación de una vasculatura similar a la del cuerpo humano, utilizando agua como elemento clave en este innovador proceso.
Algunos ejemplos de geometrías 3D complejas impresas con hielo 3D, hechos en medio milímetro de altura. Foto: cortesia de Ozdoganlar et al. Carnegie Mellon University.
Pioneros de la impresión de hielo en 3D a microescala
El agua, esencial para la vida en la Tierra, se convirtió en protagonista en la novedosa técnica de impresión 3D de hielo a microescala, conocida como 3D-ICE; este revolucionario proceso, presentado en un artículo de la revista Ciencia Avanzada en 2022, aprovecha la rápida capacidad de cambio de fase del agua y su compatibilidad ambiental y biológica.
En este trabajo, se detalló el proceso de impresión 3D de hielo, destacando su capacidad para fabricar de manera reproducible y a alta velocidad estructuras de hielo con una resolución microscópica. La deposición controlada de agua a una temperatura de -35 °C transformó instantáneamente el líquido en hielo; la clave para la precisión de las estructuras radicó en la modulación de la frecuencia de expulsión de gotas y los movimientos del escenario, evitando la construcción capa por capa y la necesidad de estructuras de soporte.
“El enfoque de forma libre permite la creación de geometrías complejas, salientes y jerárquicas ramificadas con transiciones suaves, así como secciones transversales circulares, superficies lisas y detalles de microescala, sin olvidar las pequeñas dimensiones de hasta 50 micrómetros”. Se divulgó en el mencionado estudio.
El avance científico
Un equipo de científicos está explorando una innovadora técnica para construir vasos sanguíneos utilizando las pequeñas esculturas de hielo tridimensionales; estas estructuras gélidas imitan la complejidad de las arterias reales y sirven como andamios temporales que se derriten, dejando espacio para que las células vivas tomen su lugar.
En el reciente estudio, los investigadores llevaron a cabo el primer paso de este proceso creando andamios; estos andamios fueron recubiertos con un gel que contenía células humanas y se cultivaron durante aproximadamente dos semanas.
Vea el vídeo publicado por la revista Additive Manufacturing donde se ve en cuestión de segundos, cómo se completa una red de diminutas ramas dentro de la impresora 3D de hielo.
Feimo Yang, investigador principal de la Universidad Carnegie Mellon, explicó que esta técnica de impresión de hielo podría algún día producir vasos sanguíneos cultivados en laboratorio con "geometrías complejas" que imitan las redes vasculares reales del cuerpo.
Aunque actualmente se considera una prueba de concepto, Yang señaló que: “Con futuros desarrollos, esta técnica podría revolucionar la fabricación de vasos sanguíneos para trasplantes, ofreciendo una solución más realista y funcional”. Actualmente, los médicos dependen de la extracción de vasos sanguíneos de otras partes del cuerpo del paciente o de donantes, o utilizan vasos sanguíneos artificiales que, aunque útiles, no replican de manera perfecta la complejidad de los vasos sanguíneos reales y pueden presentar fallas.
El método de impresión de hielo en 3D (3D-ICE) utiliza un sistema personalizado con una boquilla piezoeléctrica para expulsar gotas de agua sobre una plataforma fría. El movimiento sincronizado de la etapa de construcción permite imprimir geometrías de hielo complejas. Estas plantillas de hielo pueden ser sumergidas en polímeros fotocurables o a base de solventes como material externo, y después de la curación de la matriz circundante, el agua se sublima, dando como resultado la forma final positiva. La frecuencia de deposición influye en la geometría de impresión, generando capas con baja frecuencia y una geometría continua con alta frecuencia. Se presenta una imagen de un árbol ramificado con canales en la resina curada como ejemplo. Foto: cortesia de Ozdoganlar et al. Carnegie Mellon University.
El estudio examina la influencia de la frecuencia de expulsión de gotas en la geometría de los pilares impresos en 3D mediante el método ICE. Se observa que frecuencias más altas generan geometrías más gruesas, con un aumento en el diámetro del pilar. Además, se estudia la altura del frente de congelación en función del tiempo para diferentes frecuencias de deposición, y se evalúa el flujo de calor en el frente de congelación. Se propone la reducción de la frecuencia de expulsión de gotas como una estrategia para imprimir pilares con un ancho constante a lo largo de su longitud. El estudio se basa en experimentos repetidos y proporciona información detallada sobre el proceso de impresión 3D-ICE y sus implicaciones en la geometría resultante de los pilares. Foto: cortesia de Ozdoganlar et al. Carnegie Mellon University.
El método de impresión de hielo en 3D permite la formación de pilares de hielo colgantes sin soporte mediante el control del movimiento del escenario coordinado con la deposición de gotas. Se observa que la velocidad del escenario en relación con la velocidad de congelación determina el ángulo de voladizo de los pilares, siendo más pronunciado a velocidades más rápidas. La traslación de la plataforma entre gotas secuenciales resulta en la deposición fuera del eje de la gota entrante, cambiando la dirección del frente de congelación. Además, se logra imprimir pilares con ángulos de inclinación deseados y estructuras más complejas, corrigiendo las rutas de impresión para adaptarse a la geometría deseada. Foto: cortesia de Ozdoganlar et al. Carnegie Mellon University.
La técnica de impresión 3D-ICE demuestra la capacidad de imprimir geometrías 3D complejas con características de microescala y paredes lisas. Se ilustra esto con la impresión de una bobina helicoidal entrelazada con un pilar central independiente, una estructura de árbol ramificada con diferentes diámetros de ramas y un pulpo con tentáculos de 90 µm de diámetro. La técnica permite la integración de elementos pequeños en formas complejas, como los ojos y la boca agregados al pulpo mediante procesamiento de imágenes para un efecto artístico. Además, se destaca la capacidad para realizar transiciones suaves entre tamaños de pilar al variar la frecuencia de expulsión de gotas, y se demuestra la repetibilidad con tres repeticiones de una geometría en zigzag. Foto: cortesia de Ozdoganlar et al. Carnegie Mellon University.
Se utiliza un método de moldeo inverso para replicar las geometrías de canales de hielo 3D. Las plantillas de hielo impresas se sumergen en una resina fotocurable preenfriada. Controlando digitalmente una lámpara UV, la resina se cura alrededor del hielo sumergido. Al calentarse, el hielo se convierte en agua y se evacua, dejando la geometría del canal deseado. Se demuestra la capacidad de capturar con precisión las características a microescala de las plantillas de hielo en la resina curada. Se presentan ejemplos de geometrías de vacíos creados en resina, incluyendo una estructura de árbol ramificado, una hélice con una columna central independiente y un arco. Las temperaturas de la resina durante el proceso de curado UV se controlan para evitar exceder el punto de fusión del hielo. Foto: cortesia de Ozdoganlar et al. Carnegie Mellon University.
El reto al que se enfrenta este avance
Según Ozdoganlar, un autor e investigador del estudio: “La vascularización es un desafío crucial en la creación de estructuras de tejido. Aunque en el laboratorio se pueden generar grupos de células bastante grandes, la falta de vasos sanguíneos tridimensionales resulta en la muerte rápida de estas células al no recibir nutrientes ni eliminar desechos”.
Lograr crear una vasculatura tridimensional similar a la del cuerpo humano ha sido un objetivo fundamental. Sin embargo, el obstáculo radica en la diminuta escala de estos vasos sanguíneos, que se encuentran en el orden de decenas de micrones.
A pesar de esto, también presenta una oportunidad única: desarrollar la habilidad de imprimir a una escala lo suficientemente pequeña como para imitar vasos sanguíneos no solo abre la puerta a resolver este problema en la fabricación de tejidos, sino que también tiene aplicaciones prometedoras en la microfabricación.
