Descripción general y concepto
En febrero de 2013, el estadounidense Skylar Tibbits presentó el concepto de impresión 4D y cinco meses después, el académico Lu Bingheng de la Universidad Xi'an Jiaotong propuso el concepto de impresión 5D.
En un artículo titulado “Hoja de ruta de desarrollo de la tecnología de impresión 3D” publicado en China Information Week el 29 de julio de 2013, el académico Lu Bingheng fue el primero en sugerir que la impresión 5D es la forma actual de impresión celular, donde se pueden obtener los tejidos y órganos vivos que necesitamos. se puede crear mediante la impresión.
Describió la impresión 5D en varias ocasiones, explicando que a medida que pasa el tiempo, no sólo cambia la forma, sino que también evoluciona la funcionalidad. Por ejemplo, al imprimir órganos humanos, después de imprimir un andamio, las células humanas se incrustan en él y, en el entorno adecuado, se transforman en diferentes tejidos y finalmente se convierten en un órgano.
Por supuesto, la impresión 5D es mucho más que un simple concepto: si la impresión 4D añade la dimensión del tiempo a la impresión 3D, utilizando materiales inteligentes para el autoensamblaje, entonces la impresión 5D introduce la capacidad de autocrecimiento, lo cual no es solo agregando otra dimensión, pero expandiéndose a múltiples dimensiones.
Es importante tener en cuenta: en primer lugar, aunque la impresión 5D todavía utiliza equipos de tecnología de impresión 3D, los materiales impresos son células vivas y factores biológicamente activos que tienen vitalidad. Estos biomateriales deben sufrir cambios funcionales durante su desarrollo posterior; por lo tanto, se debe considerar un proyecto de ciclo de vida completo desde el principio.
En segundo lugar, parte de la actual fabricación de forma libre 5D se refiere al mecanizado de cinco ejes a nivel de tecnología de fabricación, que todavía está dentro del dominio de la fabricación 3D y es totalmente diferente del concepto de impresión 5D sin un liderazgo científico y tecnológico en papel. innovación.
Claramente, la impresión 5D transformará la fabricación tradicional, que se caracteriza por estructuras estáticas y rendimientos fijos, en funcionalidades dinámicas y cambiantes, rompiendo los paradigmas de fabricación convencionales hacia la inteligencia estructural y la génesis funcional.
Esto traerá cambios disruptivos a la tecnología de fabricación y la inteligencia artificial, haciendo evolucionar la producción de entidades no vivas a entidades realistas con la capacidad de cambiar de forma y propiedades.
No curto prazo, esta tecnologia poderá revolucionar os transplantes de órgãos e os serviços de saúde para seres humanos e, a longo prazo, tem o potencial de criar uma nova direção para a ciência da produção e das ciências da vida, impulsionando um desenvolvimento inovador na inteligencia artificial.
Antecedentes de la impresión 5D
La esencia de la impresión 5D radica en fabricar tejidos con funciones vitales, ofreciendo a los humanos la capacidad de fabricar órganos funcionales a medida. La tecnología para fabricar tejidos y órganos artificiales es un área clave apoyada por las potencias industriales mundiales.
Por ejemplo, el informe “Manufacturing Challenges Outlook 2020” de los Estados Unidos identifica la fabricación de tejidos biológicos como una de las direcciones clave para la alta tecnología; el “Informe estratégico sobre el futuro de la industria: 2015-2020” de la Comisión Europea sugiere centrarse en el desarrollo de biomateriales y prótesis artificiales, posicionando la biotecnología como una de las cuatro disciplinas principales que sustentan el futuro de la industria;
La hoja de ruta tecnológica de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos destaca la microbiomecánica para promover la regeneración de tejidos como una de las diez direcciones de investigación. Los sectores nacional e internacional han logrado aplicaciones clínicas parciales e industrialización en la fabricación de sustitutos humanos personalizados y tejidos activos similares a membranas.
Sin embargo, la fabricación de tejidos y órganos activos complejos todavía presenta muchos desafíos. Actualmente, existen más de 300 instituciones y empresas en todo el mundo dedicadas a la investigación y desarrollo de tecnología biológica 3D.
Entre ellos, el Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, en Estados Unidos, logró una serie de resultados pioneros en el campo del 3D biológico: fueron los primeros en imprimir con éxito células madre e inducir la diferenciación del tejido óseo funcional; en colaboración con el Instituto de Medicina Regenerativa del Ejército de EE. UU., desarrollaron una impresora de piel 3D; También imprimieron en 3D estructuras similares a “riñones artificiales”.
A nivel internacional, se han desarrollado estructuras de redes vasculares integradas heterogéneas y dispositivos de impresión de células integradas heterogéneas, que producen estructuras celulares heterogéneas, como parches de hueso craneal humano y cartílago de la oreja.
En China se han realizado impresiones de huesos, dientes, estructuras de cartílago de la oreja y estructuras vasculares, con aplicaciones clínicas preliminares; También se han fabricado modelos de células madre de glioblastoma y modelos de fibras de tumores cerebrales heterogéneos multicelulares. Universidades chinas de renombre, incluidas la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Xi'an Jiaotong, la Universidad de Zhejiang, la Universidad de Tecnología del Sur de China, la Universidad de Sichuan y la Universidad de Jilin, han llevado a cabo investigaciones en profundidad en este campo.
La brecha entre algunas áreas nacionales de producción orgánica y el nivel avanzado internacional se está cerrando, y algunas incluso alcanzan una posición de liderazgo global.
Cuestiones clave en la impresión 5D
La impresión 5D representa la convergencia de la tecnología de fabricación y la tecnología de las ciencias biológicas, donde el diseño, la fabricación y la regulación intencionales están en el centro. Las principales cuestiones clave incluyen los siguientes cinco aspectos.
(1) Diseño estructural y fabricación basada en funciones para entidades vivas
A partir de la comprensión de las propiedades de autocrecimiento de los seres vivos, es necesario desarrollar teorías para el diseño estructural y funcional de células y genes en la fase elemental y durante todo el proceso de crecimiento.
Los desafíos clave incluyen: primero, alterar las teorías de diseño mecánico existentes centradas en el diseño estructural y la función mecánica para desarrollar métodos de diseño que coevolucionen la estructura, la actuación y la función; segundo, comprender las leyes que rigen la replicación y autorreplicación de células y genes para diseñar la composición y estructura del estado inicial de las células que crecen según sus propias reglas;
y tercero, realizar investigaciones sobre materiales, procesos de fabricación y métodos de control de ingeniería para entidades vivientes que sean degradables, tengan una resistencia de ingeniería adecuada y puedan activarse y desarrollarse en ciertos entornos.
(2) Técnicas de impresión 5D para regular las unidades de vivienda y mantener la viabilidad
En la impresión 5D, las unidades vivas sirven como base para el crecimiento y desarrollo de los tejidos, y las células o genes individuales constituyen el núcleo de la manifestación funcional posterior. La acumulación a micro y nanoescala de estas unidades vivas requiere el estudio de sus principios de apilamiento e interrelaciones.
Al ajustar las relaciones intercelulares, podemos controlar la estructura y las funciones espaciales tridimensionales, facilitando así el crecimiento de los tejidos y la regeneración funcional. La característica distintiva de la impresión 5D es la regeneración funcional de los seres vivos, siendo fundamental la preservación de su viabilidad.
Por lo tanto, la fabricación de entidades vivientes necesita proporcionar un entorno de cultivo correspondiente, incluido el control de nutrientes, oxígeno, dióxido de carbono y otras condiciones atmosféricas en el medio de cultivo, para crear una sinergia entre el entorno biológico y el proceso de impresión.
(3) Mecanismos de formación funcional y desarrollo de funciones de componentes
Es vital estudiar los mecanismos y la innovación de procesos que permiten que diferentes materiales y estructuras crezcan hasta convertirse en diversos tejidos y funciones en determinados entornos. Las estructuras y funciones iniciales de la impresión 5D deben evolucionar hacia funcionalidades finales en entornos específicos.
Esto requiere una comprensión de la relación entre la formación de funciones y la fabricación de diseños, así como las leyes del cambio funcional a lo largo del tiempo en sistemas multicelulares.
Esto incluye relaciones de interconectividad e interacciones celulares que, a través de sus efectos, construyen funciones de liberación de energía (células musculares) o transmisión de información (neuronas), proporcionando una base técnica para el desarrollo de dispositivos multifuncionales.
(4) Portadores de información y construcción del tejido de conducción
Las entidades vivientes son organizaciones funcionales controlables mediante información, similar al papel de las neuronas en animales y humanos. En la impresión 5D, es crucial explorar qué materiales y estructuras pueden reemplazar funciones neuronales, cómo transmitir correctamente señales eléctricas o químicas y cómo impulsar la formación de diversas funcionalidades en los tejidos.
La investigación de tejidos neuronales y similares al cerebro ayudará a establecer organizaciones de transmisión de información basadas en características humanas naturales, avanzando aún más en la inteligencia artificial con una organización natural similar al cerebro.
El aprendizaje profundo actual en inteligencia artificial se basa en conjeturas de modelos, entrenamiento de datos, acumulación continua de aprendizaje e incluso utiliza algoritmos genéticos biológicos para realizar funciones de inteligencia artificial, de la misma manera que los aviones han reemplazado a las aves.
En el futuro, entidades similares a cerebros podrían utilizar la impresión 5D para implantar chips en órganos recreados o artificiales, aprender de la interconectividad aleatoria de las neuronas del cerebro humano para crear potentes chips biológicos o utilizar genes para replicar por completo un cerebro biológicamente activo.
La recopilación de información, el control de la toma de decisiones y la interacción entre el cerebro artificial, los órganos humanos originales y diversos órganos artificiales son áreas que esperan más investigación e innovación.
(5) Fabricación y evaluación funcional de dispositivos o tejidos multifuncionales
Al implementar la tecnología de impresión 5D, es fundamental comprender los principios de diseño y fabricación. Dirigido a órganos o dispositivos biológicos específicos, es necesario emprender un diseño sistemático de crecimiento estructural y funcional.
Se trata de comprender cómo regular las combinaciones celulares o genéticas en la impresión 5D, cómo controlar los daños inducidos por el proceso en el organismo vivo durante la impresión y cómo gestionar las funciones de los órganos o dispositivos formados, así como las intervenciones y la orientación en el crecimiento celular. .
Es necesario comprender la relación entre la impresión 5D y la formación funcional, evaluar y medir las funciones de dispositivos o tejidos multifuncionales y establecer un sistema de investigación que integre el diseño de unidades habitables, la impresión sin daños y la creación de funciones. Esto brinda el soporte técnico necesario para el desarrollo de órganos y dispositivos con propiedades biológicas.
La dirección de desarrollo de la impresión 5D
La impresión 5D hará que la fabricación pase de materiales como la madera, el metal y el silicio a materiales biológicos, pasando de estructuras inmutables a dispositivos capaces de regenerarse funcionalmente.
Para lograr esto, es crucial establecer técnicas de fabricación y diseño transformadoras basadas en la funcionalidad y avanzar en la tecnología de fabricación a través de la integración interdisciplinaria. El Laboratorio Estatal de Ingeniería de Sistemas de Fabricación Mecánica de la Universidad Xi'an Jiaotong ha llevado a cabo exploraciones prometedoras hacia el desarrollo de la impresión 5D.
(1) Fabricación de tejido cardíaco
El infarto de miocardio es una enfermedad grave que representa una amenaza importante para la salud humana. Los parches cardíacos diseñados existentes carecen de propiedades electrofisiológicas y no logran establecer una conducción de señales eléctricas con el miocardio del huésped, por lo que no logran lograr una contracción sincrónica y perjudican gravemente la recuperación funcional del miocardio infartado.
Por lo tanto, se necesita investigación sobre la integración de funciones de detección conductivas en los tejidos cardíacos tradicionales. Esto implica el uso de tecnología de impresión micro/nano 3D de múltiples materiales para lograr la fabricación integrada y controlable de estructuras cardíacas con detección conductiva, ofreciendo nuevos medios para explorar la patogénesis y el tratamiento del infarto de miocardio.
Esta investigación hará avanzar la biofabricación desde la fabricación de andamios tradicionales hasta el desarrollo de andamios de detección conductiva inteligentes. Al simular la estructura de micro/nanofibras de la matriz extracelular cardíaca natural, se han llevado a cabo investigaciones sobre técnicas de impresión electrostática multimaterial de fibras conductoras compuestas a micro/submicroescala.
Mediante impresión por fusión electrostática, se fabricaron microfibras de poli(caprolactona) (PCL) con un diámetro de 9,5 μm ± 1,5 μm; Utilizando la impresión con solución electrostática, se produjeron fibras conductoras de poli(3,4-etilendioxitiofeno)/poli(estirenosulfonato)-óxido de polietileno (PEDOT:PSS-PEO) con un diámetro de 470 nm ± 76 nm.
Las fibras conductoras a submicroescala PEDOT:PSS-PEO exhibieron una conductividad excelente, con una conductividad de 1,72×10 3 S/m. Al emplear un método de acumulación capa por capa, se crearon andamios compuestos multicapa, que consisten en andamios de microfibra multicapa con varias orientaciones y andamios conductores a micro/submicroescala, como se muestra en la Figura 8-17.
El andamio compuesto multicapa mostró propiedades mecánicas favorables en la dirección de la fibra, con un módulo elástico de aproximadamente 13,0 MPa. Las mediciones de conductividad del andamio demostraron que la adición de fibras conductoras a submicroescala PEDOT:PSS-PEO mejoró significativamente la conductividad del andamio.
Además, los andamios conductores a micro y submicroescala mantuvieron una conductividad estable en un ambiente acuoso, sentando las bases para experimentos celulares posteriores.
Los cardiomiocitos primarios, las células más importantes del tejido cardíaco, proporcionan la fuerza para la contracción y el flujo sanguíneo del corazón.
Se estudió la influencia de la estructura compuesta multicapa antes mencionada sobre el crecimiento orientado y el latido sincrónico de los cardiomiocitos primarios de rata. Después de ocho días de cocultivo, observamos que los cardiomiocitos primarios eran capaces de crecer a lo largo de fibras PCL de escala micrométrica y formar redes celulares complejas orientadas en fibras conductoras PEDOT:PSS-PEO de escala submicrométrica.
Las células también expresaron cantidades sustanciales de proteínas cardíacas específicas α-actinina y CX43. El análisis de cuantificación de fluorescencia reveló que la cantidad de estas proteínas expresadas en fibras conductoras submicrométricas PEDOT:PSS-PEO era significativamente mayor en comparación con las fibras micrométricas PCL.
Esto demuestra que las fibras conductoras submicrométricas PEDOT:PSS-PEO mejoraron la conductividad del andamio, mejoraron la transmisión de señales eléctricas intercelulares, la expresión de proteínas y la capacidad de latido de los cardiomiocitos. Además, el diseño orientado y en capas de la estructura conductora multicapa facilitó aún más el latido sincrónico de los cardiomiocitos primarios.
(2) Fabricación de tejidos similares al cerebro.
La neurociencia es una de las direcciones más importantes de la investigación científica actual y un pináculo de la competencia científica entre naciones. En 2013, el presidente Obama de los Estados Unidos anunció la Iniciativa Cerebro, a la que pronto siguieron la Unión Europea y Japón con el lanzamiento del Proyecto Cerebro Humano y el Proyecto Cerebro/Minds, respectivamente.
En el “Decimotercer Plan Quinquenal” de China, la ciencia del cerebro y la investigación similar al cerebro ocupan el cuarto lugar entre los 100 proyectos principales. Según la Organización Mundial de la Salud, las enfermedades cerebrales como el Parkinson, el Alzheimer, el autismo y la depresión se han convertido en una carga social mayor que las enfermedades cardiovasculares y el cáncer. Debido al conocimiento limitado de su patogénesis, casi todos los casos carecen de tratamientos eficaces.
En la ciencia del cerebro y la investigación de enfermedades cerebrales, la falta de donantes de tejido cerebral humano se ha convertido en un importante obstáculo. Los tejidos cerebrales animales no pueden representar completamente las características del cerebro humano; Por lo tanto, la construcción de modelos in vitro que imiten fielmente el tejido cerebral humano natural es un requisito inevitable para el avance de la neurociencia.
La funcionalidad de las neuronas en el tejido cerebral y su señalización son fundamentales para la función cognitiva. La disposición de estas células, sus tipos y densidades en las capas corticales sustentan las zonas funcionales de la corteza cerebral. Pasar de comprender el cerebro a crearlo marca la dirección para el desarrollo de computadoras similares al cerebro.
La construcción morfológica y funcional in vitro del tejido cerebral depende del diseño biomimético y la fabricación precisa de tipos de neuronas, estructuras de construcción y combinaciones de neuronas correspondientes a áreas funcionales objetivo. Esta es una dirección con visión de futuro que debería seguir la impresión 5D con función biológica similar al cerebro.
Al desarrollar equipos para la construcción in vitro de tejido similar al cerebro, se diseñó y montó un sistema integrado de cultivo e impresión celular. Puede imprimir simultáneamente múltiples celdas y componentes de matriz, con una velocidad del cabezal de impresión de 100 a 1000 ml/min y una precisión del movimiento XY de la mesa de trabajo de no más de 20 μm.
Puede imprimir capas de tela de 100 a 300 μm de espesor mientras mantiene una temperatura de la cámara de impresión de 37°C±1°C. Las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono son ajustables, con desviaciones de concentración dentro de ±1%, lo que proporciona una plataforma de equipo para la impresión in vitro de tejidos multicelulares similares al cerebro, como se muestra en la Figura 8-18.
Con base en el equipo de impresión existente, se optimizaron los parámetros del proceso de impresión para adaptarse a los requisitos de impresión de células neuronales, logrando la preparación de tejidos neuronales tridimensionales viables que encapsulan células neuronales primarias de rata con una viabilidad celular posterior a la impresión superior al 94 %.
El tejido cerebral natural se compone principalmente de dos tipos de células neurales: neuronas y neuroglia. Utilizando la plataforma antes mencionada, construimos modelos de tejido neuronal puro, tejido mixto de neuronas y células gliales, y estructuras tisulares complejas con neuronas y células gliales coexistiendo en una disposición espacial tridimensional predefinida.
Esta configuración permitió el cocultivo de neuronas activas de tejido similar al cerebro y células gliales in vitro bajo diversas relaciones estructurales espaciales. Las investigaciones indican que las neuronas, ubicadas adyacentes a las células gliales pero estratificadas a partir de ellas, pueden exhibir morfologías y expresiones bioquímicas que recuerdan más a los tejidos cerebrales naturales en comparación con las neuronas cultivadas solas in vitro.
Este modelo proporciona una representación más precisa y una base de investigación para la coexistencia de células neurogliales y neuronas desde una perspectiva tridimensional, sentando las bases para esfuerzos posteriores de ciencias del cerebro y estudios farmacológicos patológicos utilizando modelos in vitro.
(3) Entidades simbióticas biomecánicas
Las máquinas existentes están limitadas por una baja eficiencia de conversión de energía y flexibilidad. Los robots multidireccionales flexibles bioinspirados, impulsados por células vivas o tejido muscular, representan el futuro de la maquinaria biosimbiótica con alta eficiencia de conversión de energía, seguridad intrínseca y movimiento ágil. Para ello, es necesaria la investigación de métodos de fabricación de compuestos multicelulares/multimateriales para robots bioinspirados.
Esta investigación tiene como objetivo proporcionar un enfoque de fabricación rápido, repetible y personalizable basado en los requisitos funcionales de locomotoras robóticas reales que integran sistemas biológicos y mecánicos.
① Para el diseño de entidades biológicas, desarrollamos una microestructura de estructura de índice de Poisson negativo para cultivar y diferenciar células musculares. Este diseño aumenta el grado de diferenciación de las células musculares y la fuerza de contracción del tejido muscular, al tiempo que proporciona la protección y los nutrientes necesarios para mantener la actividad a largo plazo de la entidad biológica.
② En cuanto a la fabricación de la entidad biológica, se utilizó la impresión 3D para fabricar biocomponentes. La investigación experimental sobre el crecimiento y la diferenciación de las células del músculo esquelético ha revelado que estas células pueden diferenciarse en fibras musculares maduras, sentando las bases para la construcción de entidades biológicas funcionales. Además, construimos un robot híbrido biomecánico reptante inspirado en la babosa marina.
③ En términos de regular la funcionalidad de la entidad biológica, se ha establecido una plataforma de estimulación de acoplamiento multicampo. Se llevaron a cabo estudios sobre los mecanismos reguladores de los estímulos de enriquecimiento ambiental biónico (como estímulos eléctricos y mecánicos) sobre el desempeño motriz de la entidad biológica.
④ En cuanto al rendimiento de conducción de robots bioinspirados, se desarrolló para el robot un modelo cinemático y dinámico basado en un sistema amortiguador de resorte de segundo orden. Utilizando una plataforma experimental cinemática y dinámica, se llevaron a cabo pruebas de rendimiento de conducción de robots. Los resultados mostraron que bajo una estimulación de pulso de onda cuadrada de 50 Hz de frecuencia y 1 V de voltaje, el robot podía avanzar a una velocidad de 2 mm/s.
La investigación antes mencionada explora posibles direcciones futuras para robots con cuerpos vivos.
