Novo processo para impressão 3D de hidrogéis altamente extensíveis e resistentes

Pesquisadores de MIT desenvolveram um novo processo que utiliza impressão 3D para produzir estruturas complexas de hidrogel que são “extremamente resistentes e robustas”.

Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de transformar materiais biocompatíveis resistentes – mas macios e úmidos – chamados “hidrogéis” em formas complexas e com padrões intrincados. O processo pode levar a materiais injetáveis ​​para administração de medicamentos ou células ao corpo; andaimes para regeneração de tecidos de suporte; ou atuadores resistentes, mas flexíveis, para futuros robôs, dizem os pesquisadores.

O novo processo é descrito em um artigo na revista Advanced Materialsde coautoria do professor associado de engenharia mecânica do MIT, Xuanhe Zhao, e colegas do MIT, Duke University, e Universidade Columbia.

Zhao diz que o novo processo pode produzir estruturas complexas de hidrogel que são “extremamente resistentes e robustas” e compatíveis com o encapsulamento de células nas estruturas. Isso poderia tornar possível a impressão em 3D de estruturas complexas de hidrogel – por exemplo, implantes a serem infundidos com células e medicamentos e depois colocados no corpo.

Os hidrogéis, definidos por moléculas de água envoltas em redes poliméricas de borracha que fornecem forma e estrutura, são semelhantes aos tecidos naturais, como a cartilagem, que é usada pelo corpo como um amortecedor natural. O novo processo de impressão 3D poderá eventualmente tornar possível a produção artificial de estruturas resistentes de hidrogel para reparo ou substituição de tecidos que suportam carga, como a cartilagem.

Embora os hidrogéis sintéticos sejam geralmente fracos ou quebradiços, vários deles que são resistentes e extensíveis foram desenvolvidos na última década. No entanto, as formas anteriores de produzir hidrogéis resistentes geralmente envolviam “ambientes químicos agressivos” que matariam as células vivas neles encapsuladas, diz Zhao.

Os novos materiais são benignos o suficiente para serem sintetizados juntamente com células vivas – como células estaminais – o que poderia então permitir uma elevada viabilidade das células, diz Zhao, que tem um cargo conjunto no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT.

Além disso, o trabalho anterior não foi capaz de produzir estruturas 3-D complexas com hidrogéis resistentes, diz Zhao. O novo hidrogel resistente biocompatível pode ser impresso em diversas estruturas 3-D, como cubo oco, hemisfério, pirâmide, feixe torcido, malha multicamadas ou formas fisiologicamente relevantes, como nariz ou orelha humana.

O novo método usa um mecanismo de impressão 3D disponível comercialmente, explica Zhao. “A inovação é realmente sobre o material – uma nova tinta para impressão 3-D de hidrogel resistente biocompatível”, diz ele – especificamente, um composto de dois biopolímeros diferentes. “Cada (material) individualmente é muito fraco e quebradiço, mas depois de reunidos, torna-se muito resistente e forte. É como concreto reforçado com aço.”

Um dos dois polímeros proporciona elasticidade ao material impresso, enquanto o outro permite dissipar energia sob deformação sem quebrar. Um terceiro ingrediente, uma “nanoargila” biocompatível, permite ajustar a viscosidade do material, melhorando a capacidade de controlar seu fluxo através do bico de impressão 3D.

O material pode ser tão flexível que uma forma impressa, como uma pirâmide, pode ser comprimida em 99% e depois retornar à sua forma original, disse Sungmin Hong, principal autor do artigo e ex-pós-doutorado no grupo de Zhao. diz; também pode ser esticado até cinco vezes seu tamanho original. Essa resiliência é uma característica fundamental dos tecidos naturais do corpo que precisam resistir a uma variedade de forças e impactos.

Esses materiais podem eventualmente ser usados ​​para imprimir formas personalizadas para a substituição de tecidos cartilaginosos nas orelhas, narizes ou articulações de suporte de carga, diz Zhao. Testes de laboratório já mostraram que o material é ainda mais resistente que a cartilagem natural.

O próximo passo da pesquisa será melhorar a resolução da impressora, que atualmente está limitada a detalhes de cerca de 500 micrômetros, e testar as estruturas de hidrogel impressas em modelos animais. “Estamos aprimorando a resolução”, diz Zhao, “para poder imprimir estruturas mais precisas para aplicações”.

Além das aplicações biomédicas, a mesma técnica poderia ser aplicada à impressão de uma variedade de materiais estruturais macios, mas resistentes, diz ele, como atuadores para sistemas robóticos leves.

“Este é um trabalho realmente bonito que demonstra grandes avanços na utilização de hidrogéis resistentes”, diz David Mooney, professor de bioengenharia na Universidade de Harvard que não esteve envolvido neste trabalho. “Isso se baseia em trabalhos anteriores usando outros sistemas poliméricos, com alguns desses trabalhos anteriores feitos pelo Dr. Zhao, mas a demonstração de que é possível obter desempenho mecânico semelhante com um polímero biomédico comum é um avanço substancial.”

Mooney acrescenta: “Também é muito emocionante que esses novos géis resistentes possam ser usados ​​para impressão 3D, já que isso é novo para esses géis, que eu saiba”.

A equipe incluiu o estudante de graduação em engenharia mecânica Shaoting Lin, do MIT; os estudantes de pós-graduação Dalton Sycks e Hon Fai Chan; e os professores Gabriel Lopez, Farshid Gullak e Kam Leong da Duke. O trabalho contou com o apoio do Instituto Nacional de Saúdeo Office of Naval Research, a AOSpine Foundation e a National Science Foundation.

Referência: “Impressão 3D de hidrogéis altamente extensíveis e resistentes em estruturas celulares complexas” por Sungmin Hong, Dalton Sycks, Hon Fai Chan, Shaoting Lin, Gabriel P. Lopez, Farshid Guilak, Kam W. Leong e Xuanhe Zhao, 1 de junho de 2015 , Materiais avançados.
DOI: 10.1002/adma.201501099