Visão geral e conceito
Em fevereiro de 2013, o americano Skylar Tibbits introduziu o conceito de impressão 4D e, cinco meses depois, o acadêmico Lu Bingheng, da Universidade Xi'an Jiaotong, propôs o conceito de impressão 5D.
Em um artigo intitulado “Roteiro de Desenvolvimento da Tecnologia de Impressão 3D” publicado na Semana de Informação da China em 29 de julho de 2013, o Acadêmico Lu Bingheng foi o primeiro a sugerir que a impressão 5D é a forma atual de impressão celular, onde os tecidos e órgãos vivos nós necessidade pode ser criada através da impressão.
Ele descreveu a impressão 5D em diversas ocasiões, explicando que, à medida que o tempo passa, não apenas a forma muda, mas também a funcionalidade evolui. Por exemplo, na impressão de órgãos humanos, após a impressão de um andaime, as células humanas são incorporadas nele e, no ambiente certo, transformam-se em diferentes tecidos, tornando-se finalmente um órgão.
É claro que a impressão 5D é muito mais do que apenas um simples conceito: se a impressão 4D acrescenta a dimensão do tempo à impressão 3D, utilizando materiais inteligentes para automontagem, então a impressão 5D introduz a capacidade de auto-crescimento, o que não é apenas adicionar outra dimensão, mas expandindo-se em múltiplas dimensões.
É importante observar: primeiro, embora a impressão 5D ainda utilize equipamentos de tecnologia de impressão 3D, os materiais impressos são células vivas e fatores biologicamente ativos que possuem vitalidade. Estes biomateriais devem sofrer alterações funcionais durante o seu desenvolvimento subsequente; portanto, um projeto de ciclo de vida completo deve ser considerado desde o início.
Em segundo lugar, parte da atual fabricação 5D de forma livre refere-se à usinagem de cinco eixos no nível da tecnologia de fabricação, que ainda está dentro do domínio da fabricação 3D e é totalmente diferente do conceito de impressão 5D, sem um papel de liderança na inovação científica e tecnológica.
Claramente, a impressão 5D transformará a fabricação tradicional, que é caracterizada por estruturas estáticas e desempenhos fixos, em funcionalidades dinâmicas e mutáveis, rompendo paradigmas de fabricação convencionais na direção da inteligência estrutural e da gênese funcional.
Isto trará mudanças disruptivas à tecnologia de fabrico e à inteligência artificial, evoluindo a produção de entidades não vivas para entidades semelhantes à vida, com a capacidade de alterar a forma e as propriedades.
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 inteligência artificial.
Antecedentes da impressão 5D
A essência da impressão 5D reside na fabricação de tecidos com funções vitais, oferecendo aos humanos a capacidade de fabricar órgãos funcionais sob medida. A tecnologia para a fabricação de tecidos e órgãos artificiais é uma área-chave apoiada por potências industriais globais.
Por exemplo, a “Perspectiva sobre os Desafios da Fabricação para 2020” dos Estados Unidos identifica a fabricação de tecidos biológicos como uma das principais direções para a alta tecnologia; o “Relatório Estratégico sobre o Futuro da Indústria: 2015-2020” da Comissão Europeia sugere um foco no desenvolvimento de biomateriais e próteses artificiais, posicionando a biotecnologia como uma das quatro principais disciplinas que sustentam o futuro da indústria;
O roteiro tecnológico da Sociedade de Engenheiros Mecânicos do Japão destaca a microbiomecânica para promover a regeneração de tecidos como uma das dez direções de pesquisa. Os setores internacional e doméstico alcançaram aplicações clínicas parciais e industrialização na fabricação de substitutos humanos personalizados e tecidos ativos semelhantes a membranas.
No entanto, a fabricação de tecidos e órgãos ativos complexos ainda apresenta muitos desafios. Atualmente, existem mais de 300 instituições e empresas em todo o mundo dedicadas à pesquisa e desenvolvimento de tecnologia biológica 3D.
Entre eles, o Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, nos Estados Unidos, alcançou uma série de resultados pioneiros no campo do 3D biológico: foram os primeiros a imprimir com sucesso células-tronco e induzir a diferenciação do tecido ósseo funcional; em colaboração com o Instituto de Medicina Regenerativa do Exército dos EUA, eles desenvolveram uma impressora 3D para a pele; eles também imprimiram estruturas em 3D semelhantes a “rins artificiais”.
Internacionalmente, foram desenvolvidas estruturas de redes vasculares integradas heterogêneas e dispositivos de impressão celular integrados heterogêneos, produzindo estruturas celulares heterogêneas, como manchas ósseas cranianas humanas e cartilagem da orelha.
Na China, foi realizada a impressão de ossos, dentes, estruturas de cartilagem auricular e estruturas vasculares, com aplicações clínicas preliminares; modelos de células-tronco de glioblastoma e modelos de fibras tumorais cerebrais heterogêneas multicelulares também foram fabricados. Universidades chinesas de renome, incluindo a Universidade de Tsinghua, a Universidade de Xi'an Jiaotong, a Universidade de Zhejiang, a Universidade de Tecnologia do Sul da China, a Universidade de Sichuan e a Universidade de Jilin, realizaram pesquisas aprofundadas neste campo.
A lacuna entre algumas áreas nacionais de produção biológica e o nível avançado internacional está a diminuir, com algumas até a alcançarem uma posição de liderança global.
Principais questões na impressão 5D
A impressão 5D representa a convergência da tecnologia de fabricação e da tecnologia das ciências biológicas, onde o design, a fabricação e a regulamentação intencionais estão no centro. As principais questões-chave incluem os cinco aspectos seguintes.
(1) Projeto Estrutural e Fabricação Baseada em Função para Entidades Vivas
Com base na compreensão das propriedades de autocrescimento das entidades vivas, é necessário desenvolver teorias para o desenho estrutural e funcional de células e genes na fase elementar e ao longo do processo de crescimento.
Os principais desafios incluem: primeiro, romper as teorias de projeto mecânico existentes focadas no projeto estrutural e na função mecânica para desenvolver métodos de projeto que coevoluam estrutura, atuação e função; segundo, compreender as leis que regem a replicação e auto-replicação de células e genes para projetar a composição e estrutura do estado inicial das células que crescem de acordo com suas próprias regras;
e terceiro, conduzir pesquisas sobre materiais, processos de fabricação e métodos de controle de engenharia para entidades vivas que são degradáveis, possuem resistência de engenharia adequada e podem ser ativadas e cultivadas em determinados ambientes.
(2) Técnicas de Impressão 5D para Regulação de Unidades Vivas e Manutenção de Viabilidade
Na impressão 5D, as unidades vivas servem como base para o crescimento e desenvolvimento dos tecidos, com células ou genes únicos constituindo o núcleo da manifestação funcional subsequente. A acumulação em micro e nanoescala destas unidades vivas requer o estudo dos seus princípios de empilhamento e inter-relações.
Ao ajustar as relações intercelulares, podemos controlar a estrutura e funções espaciais tridimensionais, facilitando assim o crescimento dos tecidos e a regeneração funcional. A marca registrada da impressão 5D é a regeneração funcional das entidades vivas, sendo fundamental a preservação de sua viabilidade.
Portanto, a fabricação de entidades vivas necessita de proporcionar um ambiente de cultivo correspondente, incluindo o controle de nutrientes, oxigênio, dióxido de carbono e outras condições atmosféricas no meio de cultura, para criar uma sinergia entre o ambiente biológico e o processo de impressão.
(3) Mecanismos de Formação Funcional e Desenvolvimento de Função Componente
É vital estudar os mecanismos e a inovação de processos que permitem que diferentes materiais e estruturas cresçam em vários tecidos e funções em determinados ambientes. As estruturas e funções iniciais na impressão 5D precisam evoluir para funcionalidades finais em ambientes específicos.
Isto requer uma compreensão da relação entre a formação de funções e a fabricação de projetos, bem como as leis das mudanças funcionais ao longo do tempo em sistemas multicelulares.
Isso inclui as relações de interconectividade e interações celulares, que, por meio de seus efeitos, constroem funções de liberação de energia (células musculares) ou transmissão de informações (neurônios), fornecendo uma base técnica para o desenvolvimento de dispositivos multifuncionais.
(4) Portadores de Informação e Construção de Tecidos de Condução
As entidades vivas são organizações funcionais controláveis por informação, semelhante ao papel dos neurônios em animais e humanos. Na impressão 5D, é crucial explorar quais materiais e estruturas podem substituir funções neurais, como transmitir corretamente sinais elétricos ou químicos e como impulsionar a formação de diversas funcionalidades nos tecidos.
A pesquisa de tecidos neurais e semelhantes ao cérebro ajudará a estabelecer organizações de transmissão de informações baseadas nas características naturais humanas, avançando ainda mais em direção à inteligência artificial com organização natural semelhante ao cérebro.
A aprendizagem profunda atual em inteligência artificial depende de conjecturas de modelos, treinamento de dados, acúmulo contínuo de aprendizagem e até usa algoritmos genéticos biológicos para realizar funções de inteligência artificial, da mesma forma que os aviões substituíram os pássaros.
No futuro, entidades semelhantes ao cérebro poderão usar a impressão 5D para implantar chips em órgãos recriados ou artificiais, aprender com a interconectividade aleatória dos neurônios do cérebro humano para criar chips biológicos poderosos ou usar genes para replicar inteiramente um cérebro biologicamente ativo.
A recolha de informações, o controlo da tomada de decisões e a atuação entre o cérebro artificial, os órgãos originais humanos e vários órgãos artificiais são áreas que aguardam mais investigação e inovação.
(5) Fabricação e Avaliação Funcional de Dispositivos ou Tecidos Multifuncionais
Na implementação da tecnologia de impressão 5D, é essencial compreender os princípios de design e fabricação. Tendo como alvo órgãos ou dispositivos biológicos específicos, é necessário empenhar-se num desenho sistemático de crescimento estrutural e funcional.
Isto envolve compreender como regular as combinações celulares ou genéticas na impressão 5D, como controlar os danos induzidos pelo processo ao organismo vivo durante a impressão e como gerir as funções dos órgãos ou dispositivos formados, bem como intervenções e orientação no crescimento celular. .
É necessário compreender a relação entre impressão 5D e formação funcional, avaliar e medir as funções de dispositivos ou tecidos multifuncionais e estabelecer um sistema de pesquisa que integre design de unidades de vida, impressão sem danos e criação de funções. Isto fornece o suporte técnico necessário para o desenvolvimento de órgãos e dispositivos com propriedades biológicas.
A direção de desenvolvimento da impressão 5D
A impressão 5D mudará a fabricação de materiais como madeira, metal e silício para materiais biológicos, fazendo a transição de estruturas imutáveis para dispositivos capazes de regeneração funcional.
Para conseguir isso, é crucial estabelecer técnicas transformadoras de design e fabricação orientadas pela funcionalidade e avançar a tecnologia de fabricação por meio da integração interdisciplinar. O Laboratório Estatal de Engenharia de Sistemas de Fabricação Mecânica da Universidade Xi'an Jiaotong conduziu explorações promissoras na direção do desenvolvimento da impressão 5D.
(1) Fabricação de tecido cardíaco
O infarto do miocárdio é uma doença grave que representa uma ameaça significativa à saúde humana. Os patches cardíacos projetados existentes carecem de propriedades eletrofisiológicas e não conseguem estabelecer a condução do sinal elétrico com o miocárdio hospedeiro, falhando assim em alcançar a contração sincrônica e prejudicando gravemente a recuperação funcional do miocárdio infartado.
Portanto, é necessária pesquisa sobre a integração de funções de detecção condutiva nos tecidos cardíacos tradicionais. Isso envolve o uso de tecnologia de impressão 3D micro/nano multimaterial para alcançar a fabricação integrada e controlável de estruturas cardíacas com detecção condutiva, oferecendo novos meios para explorar a patogênese e o tratamento do infarto do miocárdio.
Esta pesquisa impulsionará a biofabricação desde a fabricação tradicional de andaimes até o desenvolvimento de andaimes de detecção condutiva inteligentes. Ao simular a estrutura de micro/nanofibras da matriz extracelular cardíaca natural, foram realizadas pesquisas em técnicas de impressão eletrostática multimaterial de fibra condutora composta em micro/submicroescala.
Utilizando impressão eletrostática por fusão, foram fabricadas microfibras de poli(caprolactona) (PCL) com diâmetro de 9,5μm±1,5μm; utilizando impressão eletrostática em solução, foram produzidas fibras condutoras de poli(3,4-etilenodioxitiofeno)/poli(estirenossulfonato)-óxido de polietileno (PEDOT:PSS-PEO) com diâmetro de 470nm±76nm.
As fibras condutoras em submicroescala PEDOT:PSS-PEO exibiram excelente condutividade, com condutividade de 1,72×103S/m. Ao empregar um método de acumulação camada por camada, foram criados andaimes compostos multicamadas, consistindo em andaimes de microfibra multicamadas com várias orientações e andaimes condutores em micro/submicroescala, como mostrado na Figura 8-17.
O andaime compósito multicamadas apresentou propriedades mecânicas favoráveis na direção das fibras, com módulo de elasticidade de aproximadamente 13,0MPa. As medições da condutividade do andaime demonstraram que a adição de fibras condutoras em submicroescala PEDOT:PSS-PEO melhorou significativamente a condutividade do andaime.
Além disso, os andaimes condutores micro/submicroescala mantiveram a condutividade estável em um ambiente aquoso, estabelecendo as bases para experimentos celulares subsequentes.
Os cardiomiócitos primários, as células mais importantes do tecido cardíaco, fornecem a força para a contração do coração e o fluxo sanguíneo.
A influência da estrutura composta multicamadas acima mencionada no crescimento orientado e no batimento síncrono de cardiomiócitos primários de ratos foi estudada. Após oito dias de co-cultivo, observou-se que os cardiomiócitos primários eram capazes de crescer ao longo de fibras PCL em escala micrométrica e formar redes celulares complexas e orientadas em fibras condutoras PEDOT: PSS-PEO submicrométricas.
As células também expressaram quantidades substanciais das proteínas cardíacas específicas α-actinina e CX43. A análise de quantificação de fluorescência revelou que a quantidade dessas proteínas expressas em fibras condutoras submicrométricas PEDOT:PSS-PEO foi significativamente maior em comparação com fibras micrométricas PCL.
Isso demonstra que as fibras condutoras submicrométricas PEDOT:PSS-PEO melhoraram a condutividade do andaime, melhoraram a transmissão do sinal elétrico intercelular, a expressão proteica e a capacidade de batimento dos cardiomiócitos. Além disso, o design orientado e em camadas da estrutura condutora multicamadas facilitou ainda mais o batimento síncrono dos cardiomiócitos primários.
(2) Fabricação de tecidos semelhantes aos do cérebro
A neurociência é uma das direções mais significativas da pesquisa científica hoje e um ápice da competição científica entre as nações. Em 2013, o presidente Obama dos Estados Unidos anunciou a Iniciativa Cérebro, que foi logo seguida pela União Europeia e pelo Japão com o lançamento do Projeto Cérebro Humano e do Projeto Cérebro/Mentes, respectivamente.
No “13º Plano Quinquenal” da China, a ciência do cérebro e a investigação semelhante ao cérebro ocupam o quarto lugar entre os 100 grandes projectos. De acordo com a Organização Mundial da Saúde, doenças cerebrais como Parkinson, Alzheimer, autismo e depressão tornaram-se um fardo social maior do que as doenças cardiovasculares e o câncer. Devido à compreensão limitada da sua patogénese, quase todos os casos carecem de tratamentos eficazes.
Na ciência do cérebro e na pesquisa de doenças cerebrais, a falta de doadores de tecido cerebral humano tornou-se um grande gargalo. Os tecidos cerebrais animais não podem representar totalmente as características do cérebro humano; portanto, a construção de modelos in vitro que imitem de perto o tecido cerebral humano natural é um requisito inevitável para o avanço da neurociência.
A funcionalidade dos neurônios no tecido cerebral e sua sinalização são fundamentais para a função cognitiva. A disposição dessas células, seus tipos e densidades nas camadas corticais sustentam as zonas funcionais do córtex cerebral. Progredir da compreensão do cérebro até a sua criação marca a direção para o desenvolvimento de computadores semelhantes ao cérebro.
A construção morfológica e funcional in vitro do tecido cerebral depende do design biomimético e da fabricação precisa de tipos de neurônios, estruturas de construção e combinações de neurônios correspondentes às áreas funcionais alvo. Esta é uma direção voltada para o futuro que a impressão 5D com função biológica semelhante ao cérebro deve seguir.
No desenvolvimento de equipamentos para construção in vitro de tecido semelhante ao cérebro, um sistema integrado de impressão/cultura celular foi projetado e montado. Ele pode imprimir simultaneamente várias células e componentes de matriz, com uma velocidade do cabeçote de impressão de 100 a 1000 mL/min e uma precisão de movimento XY da mesa de trabalho de não mais que 20μm.
Ela pode imprimir camadas de tecido de 100 a 300 μm de espessura, mantendo uma temperatura da câmara de impressão de 37°C±1°C. As concentrações de oxigênio e dióxido de carbono são ajustáveis, com desvios de concentração dentro de ±1%, fornecendo uma plataforma de equipamento para impressão in vitro de tecidos multicelulares semelhantes ao cérebro, conforme mostrado na Figura 8-18.
Com base no equipamento de impressão existente, os parâmetros do processo de impressão foram otimizados para acomodar os requisitos de impressão de células neuronais, alcançando a preparação de tecidos neurais tridimensionais viáveis que encapsulam células neuronais primárias de rato com uma viabilidade celular pós-impressão superior a 94%.
O tecido cerebral natural consiste principalmente em dois tipos de células neurais: neurônios e neuroglia. Utilizando a plataforma acima mencionada, construímos modelos de tecido neuronal puro, tecido misto de neurônios e células gliais e estruturas de tecidos complexos com neurônios e células gliais coexistindo em um arranjo espacial tridimensional predefinido.
Esta configuração permitiu a co-cultura de neurônios ativos de tecido semelhante ao cérebro e células gliais in vitro sob várias relações estruturais espaciais. A pesquisa indica que os neurônios, posicionados adjacentes, mas estratificados a partir das células gliais, podem exibir morfologias e expressões bioquímicas que lembram mais os tecidos cerebrais naturais em comparação com os neurônios cultivados sozinhos in vitro.
Este modelo fornece uma representação mais precisa e uma base de pesquisa para a coexistência de células neurogliais e neurônios a partir de uma perspectiva tridimensional, estabelecendo as bases para esforços subseqüentes da ciência do cérebro e estudos farmacológicos patológicos usando modelos in vitro.
(3) Entidades Simbióticas Biomecânicas
As máquinas existentes são limitadas pela baixa eficiência e flexibilidade de conversão de energia. Robôs multidirecionais flexíveis bioinspirados, movidos por células ou tecidos musculares vivos, representam o futuro da maquinaria biosimbiótica com alta eficiência de conversão de energia, segurança intrínseca e movimento ágil. Para este fim, é necessária investigação sobre métodos de fabricação de compósitos multicelulares/multimateriais para robôs bioinspirados.
Esta pesquisa tem como objetivo fornecer uma abordagem de fabricação rápida, repetível e personalizável, baseada nos requisitos funcionais de locomotivas de robôs reais que integram sistemas biológicos e mecânicos.
① Para o desenho da entidade biológica, desenvolvemos uma microestrutura de andaime de razão de Poisson negativa para cultivar e diferenciar células musculares. Este design aumenta o grau de diferenciação das células musculares e a força de contração do tecido muscular, ao mesmo tempo que fornece a proteção e os nutrientes necessários para manter a atividade da entidade biológica a longo prazo.
② Quanto à fabricação da entidade biológica, a impressão 3D foi utilizada para fabricar biocomponentes. A investigação experimental sobre o crescimento e diferenciação de células musculares esqueléticas revelou que estas células podem diferenciar-se em fibras musculares maduras, estabelecendo as bases para a construção de entidades biológicas funcionais. Além disso, construímos um robô híbrido biomecânico rastejante inspirado na lesma do mar.
③ Em termos de regulação da funcionalidade da entidade biológica, foi estabelecida uma plataforma de estimulação de acoplamento multicampo. Foram realizados estudos sobre os mecanismos reguladores dos estímulos de enriquecimento ambiental biônico (como estímulos elétricos e mecânicos) no desempenho motriz da entidade biológica.
④ No que diz respeito ao desempenho de condução de robôs bioinspirados, foi desenvolvido para o robô um modelo cinemático e dinâmico baseado em um sistema mola-amortecedor de segunda ordem. Utilizando uma plataforma experimental cinemática e dinâmica, foram realizados testes de desempenho de condução de robôs. Os resultados mostraram que sob uma estimulação de pulso de onda quadrada de frequência de 50 Hz e tensão de 1 V, o robô poderia rastejar para frente a uma velocidade de 2 mm/s.
A pesquisa mencionada explora as possíveis direções futuras para robôs com corpos vivos.
