Design and development of new bioinks and bioprinting strategies to produce simplified equivalents of human tissues, for earth and space exploration applications

Resumen

Cincuenta años después de que el primer ser humano aterrizara en la Luna, la humanidad ha comenzado a planificar los próximos pasos para las misiones de exploración espacial tripuladas. Cuando el tiempo necesario para regresar a la Tierra supera los 400 - 500 días (como en los viajes a Marte), el nivel de independencia que debe poseer la tripulación aumenta considerablemente. Para garantizar la supervivencia y las buenas condiciones de vida de estos futuros exploradores, se deben realizar nuevos desarrollos en cuanto a infraestructuras y recursos médicos. En este trabajo, se estudió cómo la impresión 3D y la bioimpresión pueden ser de utilidad para mejorar la autonomía de la tripulación ante los escenarios clínicos más probables que pueden ocurrir en misiones de larga duración. Para ello se estudiaron algunos parámetros de impresión de termoplásticos, como la policaprolactona (PCL), que pueden utilizarse como posible material de soporte a lo largo de la bioimpresión (ejemplo de parámetros: uso o no de capas alternas o la alineación del punto de partida de la impresión en cada capa). Para la bioimpresión, y tomando las construcciones óseas como tejido de estudio, se diseñó un nuevo material compuesto a base de plasma humano (que puede ser obtenido de los astronautas), alginato y metilcelulosa (que se puede obtener y utilizar en áreas aisladas). Se diseñó y construyó una bioimpresora invertida para poder probar la capacidad de trabajo de este biomaterial en condiciones de gravedad alterada. Como resultado se obtuvo que el uso de capas alternas implica la generación de más estructuras anisotrópicas, ya que normalmente el poro del eje z está limitado a la altura de la capa, mientras que el tamaño de los poros x e y se pueden adaptar a necesidades específicas. Los defectos creados por la alineación, o la falta de ella, en el punto de inicio de la nueva capa, afectan significativamente al comportamiento mecánico de los andamios. La velocidad de enfriamiento, o incluso la velocidad de impresión, se puede modificar para obtener micropatrones más caóticos, incluso nanofibras, sin necesidad de utilizar tecnologías adicionales. Se diseñó con éxito una biotinta a base de plasma y se combinó con un cemento de fosfato cálcico formador de hidroxiapatita, que se asemeja al mineral nativo del hueso. Nuestros resultados mostraron que la deposición combinada de la biotinta basada en plasma y la pasta de CPC para dar lugar a constructos celularizados, forman un sistema sinérgico que apoya la adhesión, la proliferación y la diferenciación osteogénica de las células óseas. Gracias a la bioimpresora invertida desarrollada, se ha podido demostrar que la biotinta desarrollada y los materiales de soporte, como el cemento óseo de fosfato cálcico autoajustable, son aptos para la (bio)impresión extrusión. Son tan adhesivos que incluso se pueden imprimir al revés y, por lo tanto, contra la gravedad de la Tierra, pudiendo usarse en condiciones de gravedad alterada.