Hidrogel, mirtilos e uma pitada de açafrão: sistema vascular artificial

Qual órgão é o mais importante no corpo humano? Os românticos dirão o coração, os pragmáticos dirão o cérebro, e os realistas dirão tudo. E é assim, porque o corpo humano é um mecanismo harmonioso que consiste em muitas partes, grandes e pequenas, trabalhando em uníssono. Se falamos sobre o combustível mais importante para esse mecanismo, um dos primeiros, é claro, vem à mente com o oxigênio. E a entrega de oxigênio é o sistema cardiovascular. Hoje, encontraremos um estudo no qual os cientistas conseguiram criar um labirinto vascular artificial a partir de um hidrogel fotopolimerizável. Como criar vasos artificiais, qual a sua eficácia, são inferiores em alguns aspectos aos vasos reais e o que a cúrcuma tem a ver com isso? Isso e não apenas aprendemos com o relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

No coração dos vasos artificiais, cuja principal tarefa é a transferência de fluidos, encontra-se um material que funciona muito bem com líquidos. Este material é chamado hidrogel.

Um hidrogel é uma combinação de cadeias poliméricas hidrofílicas * , às vezes encontradas na forma de um gel coloidal, no qual a água é um meio de dispersão * .

Hidrofilicidade * - a capacidade de absorver bem a água, o antípoda da hidrofobicidade (a capacidade de uma molécula de repelir a água).

Sistema disperso * - um composto de várias fases que não se misturam e não reagem quimicamente entre si. Um exemplo impressionante de um sistema disperso é ar, nuvem, materiais compostos, etc.

Um sólido tridimensional de um hidrogel é formado devido a ligações cruzadas que mantêm cadeias poliméricas hidrofílicas. Por esse motivo, a integridade estrutural da rede de hidrogel não se dissolve, mesmo em altas concentrações de água. Ao mesmo tempo, o hidrogel é um excelente absorvente.

Outra característica importante do hidrogel para este estudo é a sua flexibilidade, comparável à flexibilidade dos tecidos naturais, que está associada a um alto teor de água.

Não apenas o material foi incomum, mas também o método de sua aplicação. Como a morfologia dos sistemas vascular e pulmonar é muito complicada e confusa, o uso de métodos convencionais de impressão em 3D estaria errado. Os cientistas usaram a estereolitografia para criar hidrogéis macios contendo os "labirintos" vasculares necessários.

Ao contrário da impressão por extrusão padrão, quando os voxels * são aplicados sequencialmente, a junção de fotos * permite que você use a projeção de imagem e crie milhões de voxels simultaneamente.

Voxel * - um elemento de uma imagem tridimensional, como um pixel em uma imagem bidimensional.

Fotocrosslinking * (fotocrosslinking) - a formação fotoinduzida de uma ligação covalente entre duas macromoléculas ou entre duas partes diferentes de uma macromolécula.

Na estereolitografia, a resolução xy é determinada pela passagem da luz, enquanto a resolução z é determinada por aditivos absorventes de luz que absorvem o excesso de luz e limitam a polimerização à espessura da camada desejada, melhorando assim a precisão do padrão do objeto criado.

Vale esclarecer que o termo "resolução" na impressão tridimensional possui várias definições de uma só vez, devido à presença da tridimensionalidade, ou seja, os eixos x , ye z .

A resolução Xy é o menor movimento feito por um laser ou extrusora durante a impressão 3D de uma única camada. Quanto menor esse indicador, mais preciso o resultado. A resolução z já é a espessura da própria camada.

Se os aditivos fotoabsorventes não forem utilizados, o modelo de hidrogel será extremamente limitado em termos de forma e complexidade da estrutura. E surge um problema: é impossível usar produtos químicos convencionais de bloqueio de luz que são usados ​​para estruturar a foto-resistência ou para fabricar peças plásticas (por exemplo, Sudão I - C ₁₆ H ₁₂ N ₂ O) devido à toxicidade e carcinogenicidade de tais substâncias. Mas os cientistas não são tão facilmente desencorajados. Eles propuseram o uso de corantes alimentares sintéticos e naturais, que fazem um excelente trabalho com a fotoabsorção e são seguros para a saúde humana.

Os pesquisadores tentaram inicialmente criar um hidrogel monolítico, composto principalmente de água e diacrilato de polietileno glicol com um canal cilíndrico com um diâmetro de 1 mm no interior, orientado perpendicularmente ao eixo de projeção da luz. Mas mesmo um modelo tão simples é muito difícil de criar devido ao fato de que a fração de massa baixa dos elementos combinados e a necessidade de uma polimerização mais longa levam à solidificação em canais estreitos, que devem naturalmente ser ocos.

Para resolver este problema, foi necessário selecionar certos elementos constituintes do futuro modelo, incluindo corantes alimentares. Os cientistas descobriram que o uso de tartrazina (corante alimentar amarelo, E102), curcumina (de açafrão) ou antocianina (de mirtilos) permite obter um hidrogel com um labirinto vascular sem endurecer, bloqueando o fluxo de fluido através do canal.

Entre os compostos inorgânicos, excelentes resultados foram apresentados por nanopartículas de ouro (50 nm), caracterizadas por um alto grau de absorção de luz e boa biocompatibilidade.

Resultados da pesquisa

Combinando todas as descobertas acima e desenvolvimentos anteriores, os pesquisadores iniciaram a implementação prática de um hidrogel contendo uma rede vascular.

O primeiro passo foi testar misturadores caóticos (misturadores), ou seja, topologias intravasculares que homogeneizam * fluidos como resultado de interações entre fluxos de fluidos e geometria dos vasos.

Homogeneização * é o processo de redução da heterogeneidade da distribuição de produtos químicos e fases sobre o volume de um sistema comum para eles.

Um hidrogel monolítico foi criado com um misturador estático (fixo) incorporado, composto por pás giratórias tridimensionais (150 mm de espessura) com quiralidade alternada dentro de um canal cilíndrico de 1 mm.


Imagem Nº 1

Para testar a operacionalidade desse misturador, fluxos de fluido laminar foram aplicados ao misturador estático com um número baixo de Reynolds (0,002). Como resultado, foi observada uma mistura rápida por unidade de comprimento ( 1A ) e dependendo do número de lâminas.

Em seguida, os cientistas criaram uma válvula venosa bicúspide tridimensional ( 1B ). As válvulas desta válvula eram dinâmicas (móveis) e responderam rapidamente aos fluxos de fluido anterógrado (movimento para frente) e retrógrado (movimento para trás). Também é importante notar a formação de vórtices estáveis ​​nos seios da válvula, o que é totalmente consistente com o comportamento dessa válvula.


Demonstração do trabalho da válvula venosa bicúspide hidrogel artificial tridimensional.

O próximo passo é sistemas vasculares mais complexos e intrincados, que podem consistir em vários labirintos. O mais importante é que eles não devem se cruzar; caso contrário, o resultado será um labirinto grande quando forem necessários dois ou mais separados, independentes um do outro. Os algoritmos matemáticos para preencher o espaço e a topologia fractal usados ​​pelos cientistas mostraram bons resultados no design de dois labirintos vasculares que não se cruzam.


Imagem No. 2

Os pesquisadores testaram várias opções de arquitetura com dois canais disjuntos: uma espiral em torno de um canal reto (axial) ( 2A ); Hilbert curva 1 ° e 2 ° ( 2B ); estrutura cúbica bicontinua ( 2C ); nó tórico ao redor do toro ( 2D ).


Demonstração de todas as variantes da arquitetura vascular, consistindo em dois canais independentes.

Em seguida, os cientistas verificaram com que eficácia seu sistema vascular artificial cumpre suas principais responsabilidades - transporte de oxigênio. Um fluido com glóbulos vermelhos desoxigenados (saturação de oxigênio ≤ 45%) passou por um canal espiral ( 2E ) enriquecido com oxigênio gasoso umedecido (7 kPa). Na saída, você pode ver a cor mudar de vermelho escuro para vermelho brilhante, o que indica a saturação das células vermelhas do sangue com oxigênio durante a passagem do fluido pelo canal ( 2F e 2G ). A análise de glóbulos vermelhos após este teste confirmou um aumento na saturação de oxigênio.

Esse sistema vascular espiral é bastante simples, como dizem os próprios cientistas. E, apesar dos excelentes resultados de oxigenação, é necessário testar o modelo em condições mais rigorosas. O modelo do nosso pulmão é perfeito para isso, pois, neste caso, é necessário levar em conta não apenas a possibilidade de construir uma complexa rede de vasos sanguíneos, mas também a elasticidade - um indicador importante devido à dinâmica dos pulmões. Os cientistas, com base em suas realizações anteriores e nos trabalhos de seus colegas, criaram um modelo alveolar com uma rede vascular envolvente, baseada no princípio de uma estrutura tridimensional complexa da "espuma Weir-Felan".


Imagem No. 3

A espuma Weir-Phelan é baseada em poliedros convexos, mas isso não para de criar côncavos que se assemelham a sacos de ar alveolares com um átrio comum das vias aéreas ( 3A ). O modelo resultante consistiu em 185 segmentos vasculares e 113 pontos de interseção.

Em seguida, o modelo foi aplicado para impressão. O tamanho das notas era de 5 pl e o tempo de impressão era de 1 hora ( 3B ). A ventilação cíclica das vias aéreas combinadas com oxigênio gasoso umidificado levou a um notável alongamento e curvatura das vias aéreas côncavas. A perfusão de glóbulos vermelhos desoxigenados na entrada do sistema vascular (de 10 a 100 mm / min) durante a ventilação cíclica levou a uma compressão e depuração notáveis ​​dos glóbulos vermelhos dos vasos adjacentes às regiões côncavas do trato respiratório ( 3C ).


Demonstração do modelo alveolar com uma rede vascular envolvente.

Os dados de análise do modelo computacional confirmaram o alongamento anisotrópico das vias aéreas côncavas durante a inflação, ou seja, a expansão ( 3D ).

Enquanto o volume de hidrogel (0,8 ml) no modelo alveolar é de cerca de 25% do volume do modelo espiral, a eficiência da oxigenação de ambos os modelos é quase idêntica ( 3E ).

Os cientistas acreditam que a topologia ramificada do hidrogel e sua extensão, bem como o redirecionamento dos fluxos durante a ventilação, podem aumentar a absorção de oxigênio pelos glóbulos vermelhos, ou seja, sua oxigenação.


Comparação de hemácias desoxigenadas (esquerda) e hemácias oxigenadas (direita) dentro do sistema vascular fabricado.

Um dos pontos mais importantes é a escalabilidade. Em outras palavras, é necessário levar em consideração a localização da entrada / saída do sistema vascular e do ducto para que essa arquitetura seja o mais próxima possível dos pulmões reais. O volume inicial de teste do hidrogel resultou em um sistema altamente ramificado ( 3F ). Os sistemas vasculares de entrada e saída devem estar localizados em um ângulo de 180 graus entre si e ser deslocados topologicamente do trato respiratório. Os vasos devem alcançar os ramos mais distantes, ou seja, as vesículas alveolares, constituídas por 354 segmentos vasculares e 233 pontos de interseção vascular ( 3G ).

O teste do modelo alveolar obtido mostrou que é capaz de suportar mais de 10.000 ciclos de ventilação a uma pressão de 24 kPa e a uma frequência de 0,5 Hz por 6 horas. Ao mesmo tempo, o oxigênio umidificado e o nitrogênio umidificado ( 3H , 3J ) foram utilizados durante o teste.

Na imagem 3I, é claramente visto que o sistema desenvolvido fornece a mistura de glóbulos vermelhos e a bidirecionalidade dos fluxos dentro dos segmentos individuais dos vasos sanguíneos.


Demonstração de um modelo pulmonar constituído por várias alveolares.

O sistema desenvolvido mostra excelentes resultados durante os testes, como já entendemos, mas outra questão importante permanece - é o modelo de hidrogel compatível com células vivas.

Para verificar isso, os cientistas usaram a estereolitografia para fazer os mesmos modelos descritos acima, mas já contendo células de mamíferos vivas. As células-tronco mesenquimais humanas agiram como tais células. A análise do sistema resultante mostrou que as células dentro da estrutura de hidrogel permanecem viáveis ​​e podem sofrer diferenciação osteogênica.

Tais resultados positivos não puderam ser deixados sem verificação, porque os cientistas decidiram realizar uma série de testes para estabelecer o grau de utilidade desse método de fabricação de sistemas artificiais biocompatíveis.

O fígado foi tomado como base, pois esse órgão desempenha várias das funções mais importantes do corpo, cujo sucesso depende muito da topologia estrutural desse órgão.


Imagem No. 4

Os pesquisadores criaram uma estrutura complexa de hidrogel que consiste em muitos tecidos unicelulares e transportadores de hidrogel contendo agregados de hepatócitos ( 4A - 4C ).

A atividade promotora da albumina de transportadores de tecido contendo agregados foi aumentada em mais de 60 vezes em comparação com a atividade de tecidos implantados contendo células únicas ( 4B , 4C ). Além disso, com um exame minucioso dos tecidos após a ressecção, os tecidos transportadores de hidrogel foram mais integrados ao tecido e sangue do rato de teste ( 4D ).

Os agregados hepáticos são melhores que as células únicas, mas agregam complexidade ao processo de criação de modelos de hidrogel, porque seu tamanho excede a menor resolução de voxels (50 mm).

Para resolver esse problema, os cientistas criaram sua própria arquitetura de transportadora agregada ( 4E ). A rede microcanal foi semeada com células endoteliais da veia umbilical humana, pois isso melhora a sobrevivência do tecido. Além disso, esse sistema artificial foi transplantado para o fígado com danos crônicos ao roedor. 14 dias após o implante, foi observada a atividade do promotor de albumina, o que indica a sobrevivência de hepatócitos funcionais, isto é, a viabilidade das células hepáticas transplantadas ( 4F ). A análise imuno-histológica mostrou a presença de agregados hepáticos na superfície dos componentes impressos de hidrogel ( 4F e 4G ). Além disso, uma análise convencional das imagens mostrou a presença de sangue do indivíduo transportador dentro do sistema de hidrogel implantado, o que mais uma vez confirma a ausência de qualquer rejeição.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances e detalhes do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

O resultado deste estudo é um sistema vascular baseado em hidrogel e corantes naturais / artificiais, que lida perfeitamente com suas principais tarefas, em particular com a transferência de oxigênio. Além disso, os cientistas usaram um método de impressão não muito padrão (litografia estéreo), que permite criar arquiteturas complexas em um tempo bastante curto. No futuro, os cientistas pretendem melhorar sua ideia, porque o sistema vascular de cada órgão ou parte do corpo possui características próprias, que devem ser consideradas, estudadas e levadas em consideração no desenvolvimento de um análogo artificial de hidrogel mais avançado.

A criação de tecidos artificiais, seus agregados e subsequentemente órgãos é um processo meticuloso e muito complexo. Mas as boas ações costumam estar repletas de dificuldades. E este estudo não pode ser chamado de outra coisa senão uma boa ação. O primeiro problema que uma pessoa doente que precisa de transplante de qualquer órgão enfrenta é a expectativa. Por exemplo, segundo algumas fontes, 20 pessoas morrem na fila para um transplante de fígado nos Estados Unidos todos os dias. O segundo problema é o doador. Você não pode simplesmente pegar o órgão de uma pessoa e transplantá-lo para outra. A compatibilidade de vários parâmetros é necessária. E o segundo problema alimenta suavemente o primeiro, prolongando o tempo de espera para a operação de resgate.

Certamente, o cultivo em massa de órgãos e sistemas, como tomates em uma fazenda, com mais transplantes, é apenas o futuro, mas até que ponto depende de tais estudos e de seu sucesso. Falando especificamente sobre o trabalho de hoje, podemos dizer que esse futuro se tornou um pouco mais próximo.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal!

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