Impressão 3D com ultrassom cria objetos dentro de seres vivos

Instituto de Tecnologia da Califórnia

Imagine se os médicos pudessem imprimir com precisão cápsulas em miniatura capazes de fornecer células necessárias para o reparo de tecidos exatamente onde elas são necessárias dentro de um coração batendo. Uma equipe de cientistas liderada pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) deu um passo significativo em direção a esse objetivo final, tendo desenvolvido um método para polímeros de impressão 3D em locais específicos dentro de animais vivos. A técnica depende do som para localização e já foi usada para imprimir cápsulas de polímero para administração seletiva de medicamentos, bem como polímeros semelhantes a cola para selar feridas internas.

Anteriormente, os cientistas usavam luz infravermelha para desencadear a polimerização, a ligação das unidades básicas, ou monômeros, de polímeros dentro de animais vivos. “Mas a penetração do infravermelho é muito limitada. Ele só atinge logo abaixo da pele “, diz Wei Gao, professor de engenharia médica da Caltech e investigador do Heritage Medical Research Institute. “Nossa nova técnica atinge o tecido profundo e pode imprimir uma variedade de materiais para uma ampla gama de aplicações, mantendo uma excelente biocompatibilidade.”

Gao e seus colegas relatam sua nova técnica de impressão 3D in vivo na revista Science. Juntamente com géis bioadesivos e polímeros para entrega de fármacos e células, o artigo também descreve o uso da técnica de impressão de hidrogéis bioelétricos, que são polímeros com materiais condutores incorporados para uso no monitoramento interno de sinais vitais fisiológicos como em eletrocardiogramas. O principal autor do estudo é Elham Davoodi, professor assistente de engenharia mecânica da Universidade de Utah, que concluiu o trabalho enquanto fazia pós-doutorado na Caltech.

A origem de uma nova ideia

Querendo descobrir uma maneira de realizar a impressão in vivo de tecidos profundos, Gao e seus colegas recorreram ao ultrassom, uma plataforma amplamente utilizada na biomedicina para penetração de tecidos profundos. Mas eles precisavam de uma maneira de desencadear a reticulação, ou ligação de monômeros, em um local específico e somente quando desejado.

Eles criaram uma nova abordagem: combinar ultrassom com lipossomas sensíveis a baixas temperaturas. Esses lipossomas, vesículas esféricas semelhantes a células com camadas protetoras de gordura, são frequentemente usados para administração de medicamentos. No novo trabalho, os cientistas carregaram os lipossomas com um agente de reticulação e os incorporaram em uma solução de polímero contendo os monômeros do polímero que eles queriam imprimir, um agente de contraste de imagem que revelaria quando a reticulação ocorreu e a carga que eles esperavam entregar – uma droga terapêutica, por exemplo. Componentes adicionais podem ser incluídos, como células e materiais condutores como nanotubos de carbono ou prata. A biotinta composta foi então injetada diretamente no corpo.

Aumente a temperatura com apenas um toque para acionar a impressão

As partículas de lipossomas são sensíveis à baixa temperatura, o que significa que, usando ultrassom focalizado para aumentar a temperatura de uma pequena região-alvo em cerca de 5 graus Celsius, os cientistas podem desencadear a liberação de sua carga útil e iniciar a impressão de polímeros.

“Aumentar a temperatura em alguns graus Celsius é suficiente para que a partícula do lipossomo libere nossos agentes de reticulação”, diz Gao. “Onde os agentes são liberados, é onde a polimerização ou impressão localizada acontecerá.”

A equipe usa vesículas de gás derivadas de bactérias como agente de contraste de imagem. As vesículas, cápsulas de proteína cheias de ar, aparecem fortemente na imagem de ultrassom e são sensíveis às mudanças químicas que ocorrem quando a solução de monômero líquido se reticula para formar uma rede de gel. As vesículas realmente mudam o contraste, detectado por imagens de ultrassom, quando a transformação ocorre, permitindo que os cientistas identifiquem facilmente quando e precisamente onde ocorreu a reticulação da polimerização, permitindo-lhes personalizar os padrões impressos em animais vivos.

A equipe chama a nova técnica de plataforma de impressão sonora in vivo em tecidos profundos (DISP).

Quando a equipe usou a plataforma DISP para imprimir polímeros carregados com doxorrubicina, uma droga quimioterápica, perto de um tumor de bexiga em camundongos, eles encontraram substancialmente mais morte de células tumorais por vários dias em comparação com animais que receberam a droga por meio de injeção direta de soluções de drogas.

“Já mostramos em um pequeno animal que podemos imprimir hidrogéis carregados de drogas para o tratamento de tumores”, diz Gao. “Nossa próxima etapa é tentar imprimir em um modelo animal maior e, esperançosamente, em um futuro próximo, podemos avaliar isso em humanos.”

A equipe também acredita que o aprendizado de máquina pode aprimorar a capacidade da plataforma DISP de localizar e aplicar com precisão o ultrassom focado. “No futuro, com a ajuda da IA, gostaríamos de poder acionar de forma autônoma a impressão de alta precisão dentro de um órgão em movimento, como um coração batendo”, diz Gao.