O que é a Bioimpressão 3D?
A bioimpressão 3D é um ramo da medicina regenerativa, que se junta à engenharia. Essa área, por sua vez, está em crescimento e é muito promissora, uma vez que pode, por exemplo, acabar com as filas de transplantes de órgãos.
A história dessa grande área teve início em 1999, quando pesquisadores do Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa fizeram um arcabouço sintético da bexiga humana por impressão 3D. Então, em 2003, Thomas Boland desenvolveu a primeira bioimpressora 3D. Com pesquisas nesse aparelho, em 2010, a empresa Organovo foi capaz de imprimir o primeiro vaso sanguíneo. Atualmente, a máquina já é também utilizada para impressão de pele, cartilagens e ossos, o que é importantíssimo para cirurgias. Além disso, já foi possível imprimir um mini coração 3D, que representa esperança para a impressão de órgãos em tamanho real e funcionais em um futuro próximo.
A impressão 3D de órgãos está sendo um grande avanço na medicina e na engenharia modernas. Com a escassez de doadores, problemas com compatibilidade e rejeição dos órgãos transplantados, a bioimpressão ganhou espaço mundialmente por ser uma técnica que permite a produção de órgãos sob medida, eliminando a necessidade de um doador e permitindo técnicas que diminuem os riscos de rejeição. Assim, ela pode salvar muitas vidas, por meio da regeneração de danos no corpo humano. Além disso, também pode salvar vidas de animais, por exemplo com a criação de uma pele 3D, semelhante a pele humana, feita pela curitibana Carolina Motter Catarino, que permite a substituição de animais em testes de cosméticos.
A bioimpressão 3D é feita com o uso de biomateriais personalizados, que possuem células vivas, podendo ser do próprio paciente ou mesmo células-tronco, e
scaffolds.
Uma grande qualidade desse tipo de impressão é sua alta precisão, que permite a construção de materiais mais detalhados, diminuindo o risco de rejeição pelo organismo. No entanto é uma técnica muito recente, e pouco desenvolvida. Embora haja tentativas, e exemplos bem sucedidos, os órgãos impressos ainda são majoritariamente utilizados para estudos e pesquisas.
Um grande desafio é reproduzir a vascularização nos órgãos, o que dificulta sua funcionalidade. Ernesto Guimarães, um dos responsáveis pela pesquisa de produção de tecidos hepáticos bioimpressos do Centro de Pesquisa sobre o Genoma Humano e Células-Tronco da USP, informou que o máximo que conseguiram manter um fígado artificial funcional, foi um prazo de 2 meses.
O que já foi impresso?
A bioimpressão 3D foi, sem dúvida, um grande avanço da engenharia biomédica. Por meio dela, foi possível, por exemplo, melhorar a cranioplastia por meio do estudo em modelos 3D e da impressão de um molde injetado com polimetilmetacrilato, um acrílico cirúrgico biocompatível que endurece em poucos minutos, diminuindo os riscos da cirurgia e aumentando a precisão da cura.
Como usado na cranioplastia, diversos procedimentos cirúrgicos podem ser previamente ensaiados com o uso de modelos 3D impressos com o auxílio de aparelhos médicos de imagem. Tal fato permite que o cirurgião tenha um contato prévio com o formato específico do órgão do paciente, o que diminui os riscos de complicações cirúrgicas, além de diminuir o tempo da cirurgia, haja vista que o médico já saberá os passos exatos que devem ser seguidos de acordo com as especificidades do paciente.
Ademais, já é possível imprimir algumas estruturas biocompatíveis, como as mostradas na Figura 1, que já podem ser usadas em cirurgias.
Fonte: AZO Materials, 2017.
Algumas dessas estruturas humanas que já podem ser impressas são:
ossos ⇒ usando uma biotinta com fosfato de cálcio, é possível imprimir pedaços ossos 3D, que ainda são capazes de estimular o crescimento das células ao redor da prótese, fazendo com que o corpo a aceite melhor;
vasos sanguíneos ⇒ com o uso de açúcares ou colágeno e biotinta, foram criados vasos sanguíneos que exercem a sua principal função: a passagem de sangue com gases e nutrientes. Isso foi possível ao imprimir o modelo com açúcar ou colágeno, cobri-lo com o biogel e posteriormente derreter o açúcar ou retirar o colágeno, deixando espaço para o sangue passar;
narizes e orelhas ⇒ usando células da cartilagem do próprio paciente, foram impressos narizes e orelhas, que se adaptam rapidamente ao organismo;
pele ⇒ cientistas conseguiram imprimir pele com uma biotinta que mistura células do tegumento com colágeno e, no modelo de uma pele de rato, foi possível imprimir o tecido com vasos sanguíneos, que rapidamente se conectou ao do animal;
Outro avanço foi o primeiro coração 3D completo, ilustrado na Figura 2, impresso por cientistas da Universidade Tel Aviv, de Israel, que possui células do paciente, vasos sanguíneos, átrios e ventrículos.
Fonte: Genetic Engineering & Biotechnology News, 2019.
Entretanto, o órgão é apenas semifuncional - conseguindo bater mas sem capacidade de bombear sangue -, possui 3 cm e vascularização precária, porém já representa um grande passo para a área.
Um grupo de pesquisadores da Universidade Federal de São Paulo (Unifesp) também estão buscando meios de imprimir um cérebro funcional. Com a ideia de estudar com mais precisão diversas doenças neurodegenerativas - como a doença de Parkinson e o Alzheimer - e, no futuro, realizar transplantes cerebrais, os cientistas estão tentando criar uma biotinta que seja capaz de reproduzir tecidos neurais, simulando o funcionamento do sistema nervoso. Essa é, entretanto, a área mais difícil de se reproduzir do corpo humano, dada a complexidade desse sistema.
Existem alguns tipos diferentes de impressão 3D, como ilustrado na Figura 3, que são por jato de tinta, por assistência de laser, por micro extrusão, por estereolitografia ou por impressão direta por luz.
Fonte: Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 2019.
A metodologia por jato de tinta é feita pela disposição da tinta em camadas separadas por biopapel, que serão depois fundidas e o papel derretido, chegando ao produto final. As impressoras desse tipo costumam ter várias cabeças de impressão e uma das mais baratas.
Para imprimir por assistência de laser, é usado um laser sobre uma camada, que absorve a luz e deposita gotas do material na estrutura. Esse tipo de impressora costuma ter apenas uma cabeça de impressão com o laser e uma câmara vedada, que mantém as condições de temperatura e pressão ideais para o processo.
A impressão por microextrusão é uma das mais comuns, simples e baratas técnicas e não precisa de cabeças de impressão. Ela é feita a partir da aplicação de pressão (pneumática ou mecânica), que fazem com que o extrusor libere fios do material até formar o objeto desejado.
A estereolitografia é o processo no qual um laser percorre um material líquido, que endurece nos pontos onde o laser passa, formando o produto final de camada em camada. Tal processo é conhecido como um dos melhores para impressão 3D.
A impressão direta por luz é semelhante à estereolitografia, tendo em vista que também se usa o material no estado líquido, todavia, ao invés de um laser, é usada outra fonte de luz mais densa, que acelera o processo e aumenta a resolução e os detalhes.
Como é feita a impressão?
Para fazer as impressões 3D, deve-se seguir algumas etapas, que estão ilustradas na Figura 4.
Fonte: 3D printer and 3D printing news, 2014.
Primeiramente, é preciso de uma imagem - que pode ser feita por tomografia computadorizada ou ressonância magnética padrão -, que será projetada em software CAD e usada para criar um modelo 3D virtual com as informações e medidas detalhadas da estrutura em questão. Após isso, o modelo será processado por um software chamado Slicer, que determina os movimentos que a bioimpressora 3D deverá fazer. Também é preciso preparar a biotinta, que, no lugar dos polímeros usados na impressão de objetos, é normalmente feita na forma de hidrogel, usando materiais biocompatíveis, como células vivas e scaffolds. Após isso a impressora age por meio de um dos métodos anteriormente descritos e, por fim, as camadas da impressão serão solidificadas, chegando assim no resultado final.
Graças à ciência, muitos avanços já foram feitos, mas o, pode-se dizer, maior deles ainda não é possível, que é a impressão de órgãos vitais. Dessa forma, ainda são necessárias várias pesquisas e vários testes para poder tornar isso uma realidade e, assim, revolucionar a medicina em conjunto com a engenharia.
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