Hidrogel, arándanos y una pizca de cúrcuma: sistema vascular artificial

¿Qué órgano es el más importante en el cuerpo humano? Los románticos dirán el corazón, los pragmáticos dirán el cerebro y los realistas lo dirán todo. Y esto es así, porque el cuerpo humano es un mecanismo armonioso que consta de muchas partes, grandes y pequeñas, que funcionan al unísono. Si hablamos del combustible más importante para tal mecanismo, uno de los primeros, por supuesto, viene a la mente del oxígeno. Y la entrega de oxígeno es el sistema cardiovascular. Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que los científicos lograron crear un laberinto vascular artificial a partir de un hidrogel fotopolimerizable. ¿Cómo crearon vasos artificiales, qué tan efectivos son, son inferiores en algunos aspectos a los vasos reales, y qué tiene que ver la cúrcuma con ellos? Esto y no solo aprendemos del informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

En el corazón de los vasos artificiales, cuya tarea principal es la transferencia de líquido, se encuentra un material que funciona muy bien con líquidos. Este material se llama hidrogel.

Un hidrogel es una combinación de cadenas poliméricas hidrófilas * , que a veces se encuentran en forma de un gel coloidal, en el que el agua es un medio de dispersión * .

Hidrofilia * : la capacidad de absorber bien el agua, la antípoda de la hidrofobicidad (la capacidad de una molécula para repeler el agua).

Sistema disperso * : un compuesto de varias fases que no se mezclan y no reaccionan químicamente entre sí. Un ejemplo sorprendente de un sistema disperso es el aire, las nubes, los materiales compuestos, etc.

Se forma un sólido tridimensional a partir de un hidrogel debido a enlaces cruzados que sostienen cadenas poliméricas hidrófilas. Debido a esto, la integridad estructural de la red de hidrogel no se disuelve incluso a altas concentraciones de agua. Al mismo tiempo, el hidrogel es un excelente absorbente.

Otra característica importante del hidrogel para este estudio es su flexibilidad, comparable a la flexibilidad de los tejidos naturales, que se asocia con un alto contenido de agua.

No solo el material era inusual, sino también el método de su aplicación. Dado que la morfología de los sistemas vascular y pulmonar es muy complicada y confusa, usar métodos de impresión 3D convencionales sería incorrecto. Los científicos utilizaron la estereolitografía para crear hidrogeles blandos que contienen los "laberintos" vasculares necesarios en su interior.

A diferencia de la impresión por extrusión estándar, cuando los vóxeles * se aplican secuencialmente, la unión de fotografías * le permite utilizar la proyección de imágenes y crear millones de vóxeles simultáneamente.

Voxel * : un elemento de una imagen tridimensional, como un píxel en una imagen bidimensional.

Photocrosslinking * (fotocrosslinking): la formación fotoinducida de un enlace covalente entre dos macromoléculas o entre dos partes diferentes de una macromolécula.

En estereolitografía, la resolución xy está determinada por el paso de la luz, mientras que la resolución z está determinada por aditivos absorbentes de luz que absorben el exceso de luz y limitan la polimerización al espesor de capa deseado, mejorando así la precisión del patrón del objeto creado.

Vale la pena aclarar que el término "resolución" en la impresión tridimensional tiene varias definiciones a la vez, debido a la presencia de tridimensionalidad, es decir, los ejes x , y y z .

La resolución Xy es el movimiento más pequeño realizado por un láser o una extrusora durante la impresión 3D de una sola capa. Cuanto más bajo sea este indicador, más preciso será el resultado. La resolución z ya es el grosor de la capa misma.

Si no se usan aditivos fotoabsorbentes, entonces el modelo de hidrogel será extremadamente limitado en términos de forma y complejidad de la estructura. Y surge un problema: es imposible usar productos químicos convencionales que bloqueen la luz que se usan para estructurar fotoprotección o para fabricar piezas de plástico (por ejemplo, Sudán I - C ₁₆ H ₁₂ N ₂ O) debido a la toxicidad y carcinogenicidad de tales sustancias. Pero los científicos no se desaniman tan fácilmente. Propusieron el uso de colorantes alimentarios sintéticos y naturales, que hacen un excelente trabajo con la fotoabsorción y son seguros para la salud humana.

Los investigadores inicialmente intentaron crear un hidrogel monolítico, que consistía principalmente en agua y diacrilato de polietilenglicol con un canal cilíndrico con un diámetro de 1 mm en el interior, orientado perpendicularmente al eje de proyección de luz. Pero incluso un modelo tan simple es muy difícil de crear debido al hecho de que la fracción de elementos de baja masa a combinar y la necesidad de una polimerización más larga conducen a la solidificación en canales estrechos, que naturalmente deberían ser huecos.

Para resolver este problema, fue necesario seleccionar ciertos elementos constitutivos del modelo futuro, incluido el colorante de alimentos. Los científicos han descubierto que el uso de tartrazina (colorante alimentario amarillo, E102), curcumina (de la cúrcuma) o antocianina (de los arándanos) le permite obtener un hidrogel con un laberinto vascular sin endurecerse, bloqueando el flujo de líquido a través del canal.

Entre los compuestos inorgánicos, se obtuvieron excelentes resultados con nanopartículas de oro (50 nm), que se caracterizan por un alto grado de absorción de luz y buena biocompatibilidad.

Resultados de la investigación

Combinando todos los descubrimientos anteriores y desarrollos anteriores, los investigadores comenzaron la implementación práctica de un hidrogel que contiene una red vascular.

El primer paso fue probar mezcladores caóticos (mezcladores), es decir, topologías intravasculares que homogeneizan * fluidos como resultado de interacciones entre los flujos de fluidos y la geometría de los vasos.

La homogeneización * es el proceso de reducir la heterogeneidad de la distribución de productos químicos y fases sobre el volumen de un sistema común para ellos.

Se creó un hidrogel monolítico con un mezclador estático (fijo) incorporado que consta de cuchillas giratorias tridimensionales (150 mm de espesor) con quiralidad alterna dentro de un canal cilíndrico de 1 mm.


Imagen No. 1

Para probar la operabilidad de dicho mezclador, se aplicaron flujos de fluido laminar al mezclador estático con un bajo número de Reynolds (0,002). Como resultado, se observó una mezcla rápida por unidad de longitud ( 1A ) y dependiendo del número de cuchillas.

Luego, los científicos crearon una válvula venosa bicúspide tridimensional ( 1B ). Las válvulas de esta válvula eran dinámicas (móviles) y respondían rápidamente a los flujos de fluido anterógrado pulsante (movimiento hacia adelante) y retrógrado (movimiento inverso). También vale la pena señalar la formación de vórtices estables en los senos de la válvula, lo que es totalmente consistente con el comportamiento de esta válvula.


Demostración del trabajo de la válvula venosa bicúspide de hidrogel tridimensional artificial.

El siguiente paso es un sistema vascular más complejo e intrincado, que puede consistir en varios laberintos. Lo más importante es que no deben cruzarse, de lo contrario el resultado será un gran laberinto cuando se necesitan dos o más flujos separados e independientes. Los algoritmos matemáticos para llenar el espacio y la topología fractal utilizados por los científicos han mostrado buenos resultados en el diseño de dos laberintos vasculares que no se cruzan.


Imagen No. 2

Los investigadores probaron varias opciones de arquitectura con dos canales disjuntos: una espiral alrededor de un canal recto (axial) ( 2A ); Curvas de Hilbert 1 ° y 2 ° ( 2B ); red cúbica bicontinua ( 2C ); nudo tórico alrededor del toro ( 2D ).


Demostración de todas las variantes de la arquitectura vascular, que consta de dos canales independientes.

Luego, los científicos verificaron cuán efectivamente su sistema vascular artificial cumple con sus principales responsabilidades: el transporte de oxígeno. Un fluido con glóbulos rojos desoxigenados (saturación de oxígeno ≤ 45%) pasó a través de un canal espiral ( 2E ) enriquecido con oxígeno gaseoso humedecido (7 kPa). En la salida, puede ver el cambio de color de rojo oscuro a rojo brillante, lo que indica la saturación de los glóbulos rojos con oxígeno durante el paso del líquido a través del canal ( 2F y 2G ). El análisis de glóbulos rojos después de esta prueba confirmó un aumento en la saturación de oxígeno.

Tal sistema vascular en espiral es bastante simple, como dicen los propios científicos. Y a pesar de los excelentes resultados de oxigenación, es necesario probar el modelo en condiciones más estrictas. El modelo de nuestro pulmón es perfecto para esto, ya que en este caso es necesario tener en cuenta no solo la posibilidad de construir una red compleja de vasos, sino también su elasticidad, un indicador importante debido a la dinámica de los pulmones. Los científicos, basados ​​en su trabajo previo y el trabajo de sus colegas, crearon un modelo alveolar con una red vascular envolvente, que se basa en el principio de una estructura tridimensional compleja de "espuma Weir-Felan".


Imagen No. 3

La espuma Weir-Phelan se basa en poliedros convexos, pero esto no deja de crear cóncavos que se parecerán a los alvéolos alveolares con una aurícula común de las vías respiratorias ( 3A ). El modelo resultante consistió en 185 segmentos vasculares y 113 puntos de intersección.

A continuación, el modelo se aplicó para la impresión. El tamaño de los billetes era de 5 pl, y el tiempo de impresión era de 1 hora ( 3B ). La ventilación cíclica de las vías respiratorias combinadas con oxígeno gaseoso humidificado condujo a un notable estiramiento y curvatura de las vías respiratorias cóncavas. La perfusión de glóbulos rojos desoxigenados en la entrada al sistema vascular (de 10 a 100 mm / min) durante la ventilación cíclica condujo a una notable compresión y eliminación de los glóbulos rojos de los vasos adyacentes a las regiones cóncavas del tracto respiratorio ( 3C ).


Demostración del modelo alveolar con una red vascular envolvente.

Los datos de análisis del modelo computacional confirmaron el estiramiento anisotrópico de las vías aéreas cóncavas durante el inflado, es decir, la expansión ( 3D ).

Mientras que el volumen de hidrogel (0,8 ml) en el modelo alveolar es aproximadamente el 25% del volumen del modelo en espiral, la eficiencia de oxigenación de ambos modelos es casi idéntica ( 3E ).

Los científicos creen que la topología ramificada (malla) del hidrogel y su extensión, así como la redirección de los flujos durante la ventilación, pueden aumentar la absorción de oxígeno por parte de los glóbulos rojos, es decir, su oxigenación.


Comparación de glóbulos rojos desoxigenados (izquierda) y glóbulos rojos oxigenados (derecha) dentro del sistema vascular fabricado.

Uno de los puntos más importantes es la escalabilidad. En otras palabras, es necesario tener en cuenta la ubicación de la entrada / salida del sistema vascular y el conducto para que esta arquitectura esté lo más cerca posible de los pulmones reales. El volumen de prueba inicial del hidrogel dio como resultado un sistema altamente ramificado ( 3F ). Los sistemas vasculares de entrada y salida deben ubicarse en un ángulo de 180 grados entre sí y deben desplazarse topológicamente del tracto respiratorio. Los vasos deben alcanzar las ramas más lejanas, es decir, las vesículas alveolares, que consisten en 354 segmentos vasculares y 233 puntos de intersección vascular ( 3G ).

Las pruebas del modelo alveolar obtenido mostraron que es capaz de soportar más de 10,000 ciclos de ventilación a una presión de 24 kPa y una frecuencia de 0.5 Hz durante 6 horas. Al mismo tiempo, se utilizaron oxígeno humidificado y nitrógeno humidificado ( 3H , 3J ) durante la prueba.

En la imagen 3I se ve claramente que el sistema desarrollado proporciona la mezcla de glóbulos rojos y la bidireccionalidad de los flujos dentro de los segmentos individuales de los vasos sanguíneos.


Demostración de un modelo pulmonar que consta de varios alveolares.

El sistema desarrollado muestra excelentes resultados durante las pruebas, como ya entendimos, pero queda otra pregunta importante: el modelo de hidrogel es compatible con las células vivas.

Para verificar esto, los científicos utilizaron la estereolitografía para hacer los mismos modelos descritos anteriormente, pero que ya contenían células de mamíferos vivos. Las células madre mesenquimales humanas actuaron como tales células. El análisis del sistema resultante mostró que las células dentro de la estructura del hidrogel permanecen viables y pueden sufrir una diferenciación osteogénica.

Tales resultados positivos no podrían dejarse sin verificación, porque los científicos decidieron realizar una serie de pruebas para establecer el grado de utilidad de este método de fabricación de sistemas artificiales biocompatibles.

Se tomó como base el hígado, ya que este órgano realiza una serie de las funciones más importantes del cuerpo, cuyo éxito depende en gran medida de la topología estructural de este órgano.


Imagen No. 4

Los investigadores crearon una estructura compleja de hidrogel que consta de muchos tejidos unicelulares y portadores de hidrogel que contienen agregados de hepatocitos ( 4A - 4C ).

La actividad promotora de la albúmina de los portadores de tejidos que contienen agregados aumentó más de 60 veces en comparación con la actividad de los tejidos implantados que contienen células individuales ( 4B , 4C ). Además, con un examen exhaustivo de los tejidos después de la resección, los tejidos portadores de hidrogel se integraron más con el tejido y la sangre del ratón de prueba ( 4D ).

Los agregados hepáticos son mejores que las células individuales, pero agregan complejidad al proceso de creación de modelos de hidrogel, porque su tamaño excede la resolución más baja de vóxeles (50 mm).

Para resolver este problema, los científicos han creado su propia arquitectura de portador agregado ( 4E ). La red de microcanales se sembró con células endoteliales de la vena umbilical humana, ya que esto mejora la supervivencia del tejido. Además, este sistema artificial fue trasplantado al hígado con daño crónico al roedor. 14 días después de la implantación, se observó la actividad del promotor de albúmina, lo que indica la supervivencia de los hepatocitos funcionales, es decir, la viabilidad de las células hepáticas trasplantadas ( 4F ). El análisis inmunohistológico mostró la presencia de agregados hepáticos en la superficie de los componentes de hidrogel impresos ( 4F y 4G ). Además, un análisis convencional de las imágenes mostró la presencia de sangre del portador individual dentro del sistema de hidrogel implantado, lo que confirma una vez más la ausencia de rechazo.

Para un conocimiento más detallado de los matices y detalles del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo

El resultado de este estudio es un sistema vascular basado en hidrogel y colorantes alimentarios naturales / artificiales, que hace frente perfectamente a sus tareas principales, en particular con la transferencia de oxígeno. Además, los científicos utilizaron un método de impresión no bastante estándar (litografía estéreo), que le permite crear arquitecturas complejas en un tiempo bastante corto. En el futuro, los científicos tienen la intención de mejorar su creación, porque el sistema vascular de cada órgano o parte del cuerpo tiene sus propias características, que deben considerarse, estudiarse y tenerse en cuenta en el desarrollo de un análogo artificial de hidrogel más avanzado.

La creación de tejidos artificiales, sus agregados y, posteriormente, los órganos es un proceso minucioso y muy complejo. Pero las buenas acciones a menudo están llenas de dificultades. Y este estudio no puede llamarse otra cosa que una buena acción. El primer problema que enfrenta una persona enferma que necesita un trasplante de cualquier órgano es la expectativa. Por ejemplo, según algunas fuentes, 20 personas mueren en una cola para un trasplante de hígado en los Estados Unidos todos los días. El segundo problema es el donante. No puedes simplemente tomar el órgano de una persona y trasplantarlo a otra. Se requiere la compatibilidad de varios parámetros. Y el segundo problema alimenta sin problemas al primero, alargando el tiempo de espera para la operación de rescate.

Por supuesto, el cultivo en masa de órganos y sistemas, como los tomates en una granja, con un trasplante adicional es solo el futuro, pero hasta qué punto depende de tales estudios y su éxito. Hablando específicamente sobre el trabajo de hoy, podemos decir que ese futuro se ha vuelto un poco más cercano.

¡Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana de trabajo, muchachos!

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