En el videojuego Minecraft, todo, incluidos los animales y los personajes, está hecho de pequeños bloques en 3D llamados vóxeles. Los científicos de materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Virginia han desarrollado un enfoque voxelado similar a Minecraft que utiliza gotas como bloques de construcción básicos para crear estructuras complicadas comparables a los tejidos y órganos humanos.
Liheng Cai, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería química e ingeniería biomédica, lidera el equipo. Jinchang Zhu, un doctorado. estudiante del Laboratorio de Biomateria Blanda de Cai, desarrolla su técnica de bioimpresión, ensamblaje digital de partículas esféricas de biotinta (DASP).
«En principio, DASP nos permite definir con precisión la ubicación, la composición y las propiedades de las gotas individuales y ensamblarlas en construcciones 3D que coinciden con el arte de los tejidos biológicos», dijo Zhu.
Usando una impresora 3D personalizada, el equipo extruye y deposita gotas de biotinta dentro de una matriz de soporte, un baño de suspensión que sostiene y mantiene las gotas en el espacio 3D. Las gotas se hinchan, entran en contacto con las gotas vecinas y luego se solidifican para formar una estructura reticular 3D. Con combinaciones de gotas hechas de varios materiales o encapsuladas con varios componentes, DASP muestra una gran cantidad de posibilidades para diseñar y crear construcciones de tejidos funcionales.
Zhu fue el primer autor del artículo original del equipo publicado en octubre de 2021 en Advanced Functional Materials, donde Cai y sus colaboradores demostraron el concepto de bioimpresión voxelada.
«El artículo que publicamos el año pasado fue un primer paso hacia la impresión de tejidos en 3D con la complejidad y la organización necesarias para la ingeniería biomédica, la detección de fármacos y el modelado de enfermedades», dijo Cai.
Zhu y Cai fueron invitados a compartir su última investigación, All-aqueous Printing of Viscoelastic Droplets in Yield-stress Fluids, en una edición especial de septiembre de 2022 de Acta Biomaterialia.
En este artículo más reciente, explican el mecanismo para manipular una gota viscoelástica en lo que se llama una matriz de soporte de tensión de fluencia: la matriz de soporte se comporta como una pila de arena, que es como un sólido cuando no se altera, pero fluye como un líquido bajo tensión. .
Una característica única de todo este proceso de impresión es que tanto las gotas de tinta biológica como la matriz de soporte son acuosas; prácticamente no hay tensión en los límites entre las gotas y el entorno circundante. La tinta biológica es altamente viscosa como la miel, pero es elástica cuando se deforma a gran velocidad.
Zhu y Cai monitorean la dinámica de todo el proceso de bioimpresión en tiempo real e identifican tres etapas involucradas: generación de gotas, desprendimiento y relajación. A medida que se extruye la gota, la boquilla se mueve horizontalmente a una gran aceleración para separarse de la gota, dejando la gota atrás y atrapada dentro de la matriz de soporte.
«Un caso análogo es el clásico truco de tirar del mantel, en el que el mantel se quita repentinamente, dejando los platos sobre la mesa debido a la fuerza de la inercia», dijo Zhu, «pero en nuestra técnica, la gota se separa de la boquilla principalmente debido a a la fuerza de confinamiento de la matriz de soporte».
El equipo también identificó parámetros que afectan en gran medida la resolución de impresión, incluido el diámetro de la gota, el diámetro de la boquilla y la aceleración de la boquilla. Sus experimentos indican que la impresión de gotas de buena fidelidad requiere una relación de diámetro de gota a boquilla relativamente grande y una aceleración de boquilla adecuada de hasta diez metros por segundo cuadrado.
«La manipulación precisa de vóxeles viscoelásticos representa un desafío fundamental y tecnológico en la ciencia de la materia blanda y la bioimpresión 3D», dijo Cai. «Estamos apenas comenzando a establecer la ciencia fundamental para la bioimpresión voxelada. Y esperamos que algún día podamos traducir completamente el enfoque de Minecraft a la bioimpresión 3D, de modo que podamos crear imitaciones de tejido 3D altamente funcionales para biomedicinas básicas y aplicadas».
