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Bioimpresión 3D de parches de tejido cardiaco

Introducción: El presente trabajo se enmarca en las tareas realizadas por la empresa COCUUS, en la que he desarrollado mis prácticas curriculares, dentro del proyecto de I+D IMPRIMED. En los últimos años, el uso de la impresión 3D se ha extendido en gran variedad de campos debido a los avances que ha habido relacionados con esta técnica. Recientemente, la impresión 3D está empleándose en medicina y entre sus muchas aplicaciones destacan los sistemas de bioimpresión, los cuales pueden ser usados en ingeniería de tejidos para fabricar scaffolds o soportes para la regeneración de tejidos. Mediante el proyecto IMPRIMED, se quieren producir biomateriales basados en polihidroxialcanoatos (PHA) a partir de procesos de fermentación bacteriana e ingeniería genética sobre subproductos procedentes de la industria agroalimentaria Navarra para regenerar tejido cardiaco fabricando soportes a través de la bioimpresión 3D. Objetivos: Los principales objetivos de este trabajo son: evaluar los diferentes sistemas de impresión 3D y aprender a utilizarlos correctamente, y analizar los biomateriales proporcionados para garantizar la correcta fabricación de soportes o scaffolds sobre los que se colocarán los cardiomiocitos. Métodos: Por un lado, con respecto a la impresión por estereolitografía (SLA), se empleó una impresora SLA por láser de alta resolución para usar resinas fotopolimerizables biocompatibles basadas en el polímero Poli(4-hidroxibutirato) (P4HB), desarrollados a partir de PHA. Por otro lado, para realizar los soportes mediante extrusión, se utilizó un prototipo de una impresora multicabezal y fue necesario realizar distintas pruebas para aprender a manejarla correctamente y comprender su funcionamiento para posteriormente poder emplear los termoplásticos basados en el copolímero P(3HB-co-4HB). Para ello, hubo que realizar los diseños de los modelos a imprimir usando Blender 3D y su laminación para conseguir los archivos GCODE mediante Ultimaker Cura y Simplify 3D. Además, para facilitar la modificación de los archivos GCODE, se empleó Visual Studio Code para hacer scripts de Python. Resultados: Tras un ensayo preliminar para imprimir el scaffold en 2D para probar la geometría de poros de rombo y su capacidad para regenerar tejido, se realizaron diversas pruebas para poner en marcha el prototipo de bioimpresora multicabezal y probar la impresión de patrones similares usando hidrogeles de alginato y niebla de cloruro para solidificarlo e imprimir el patrón del scaffold por FDM usando filamento polimérico. En cuanto a la impresión por SLA, se llevaron a cabo unas pruebas de impresión de patrones de scaffold y de árboles vasculares con resina comercial y posteriormente se realizaron pruebas de curado de la resina biocompatible. Conclusiones: Tras finalizar las pruebas, se ha comprobado que los biomateriales desarrollados son biocompatibles y aptos para la fabricación de soportes. Además, usando scaffolds con poros rómbicos, se obtuvo tejido cardiaco con cierto grado de contracción. El prototipo de bioimpresora multicabezal ya funciona correctamente y, aunque todavía se puede mejorar, permite la impresión de los soportes con los materiales de prueba. En cuanto a la impresora SLA, hay que aumentar su potencia para asegurar el curado de las resinas biocompatibles, pero permite imprimir estructuras con el detalle suficiente como para imitar vasos sanguíneos.

Introduction: This work is part of the tasks carried out by the company COCUUS, in which i have developed my curricular internships, within the R&D Project IMPRIMED In recent years, the use of 3D printing has spread in a wide variety of fields due to the advances that have been made related to this technique. Recently, the 3D printing is been used in medicine and among its many applications bioprinting systems stand out, which can been used in tissue engineering to manufacture scaffolds or suports for tissue regeneration. Through IMPRIMED project, they want to produce biomaterials based in polyhydroxyalkanoates (PHA) from bacterial fermentation processes and genetic engineering on products from Navarra agri-food industry to regenerate cardiac tissue manufacturing suports through 3D bioprinting. Objectives: The main objectives of this project are: to evaluate the different 3D printing systems and learn how to use them correctly, and to analyze the provided biomaterials to guarantee the correct manufacture of supports or scaffolds on which cardiomyocytes will be placed. Methods: On the one hand, regarding to the stereolithography (SLA) printing, a high resolution laser SLA printer was employed to use biocompatible photopolymerizable resins based in the polymer Poly(4-hydroxybutyrate) (P4HB), developed from PHA. On the other hand, to make the supports by extrusión, a prototype of a multi-head printer was used and it was necessary to make different test to learn how to handle it correctly and understand its operation in order to use the thermoplastics based in PHA. For this, it was necessary to carry out the model designs using Blender 3D and their lamination to obtain que GCODE files using Ultimaker Cura and Simplify 3D. Also, to make it easier to modify the GCODE files, Visual Studio Code was used to make Python scripts. Results: After a preliminary test to print the scaffold in 2D to check the geometry of rhombus pores and its ability to regenerate tissue, different tests were made to start up the multi-head bioprinter prototype and test the printing of similar patterns using alginate hydrogels and calcium chloride mist to solidify it and print the scaffold pattern by FDM using polymeric filament. Regarding SLA printing, some printing test of scaffolds and vascular tres were made with commercial resin and later some curing tests of the biocompatible resin were carried out. Conclusions: After completing the tests, it has been verified that the developed biomaterials are biocompatible and suitable to make the scaffolds. Furthermore, using scaffolds with rhombic pores, cardiac tissue was obtained with certain grade of contraction. The multi-head bioprinter prototype already works correctly and, although it can still be improved, allows the printing of scaffolds with the test materials. Regarding to the SLA printer, its power must be increasedin order to ensure the curing of the biocompatible resins, but it allows the printing of structures with enough detail to imitate blood vessels.