Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures

Imagine um futuro onde médicos possam imprimir tecidos vivos para reparar órgãos danificados ou substituir a pele perdida. Esta visão depende de uma técnica chamada bioimpressão, na qual cientistas utilizam máquinas especializadas para expelir minúsculos fluxos de líquido que contêm células vivas misturadas com um gel de suporte. O objetivo é construir estruturas que imitem os teços complexos do corpo humano. No entanto, o processo de espremer esta mistura através de um bico estreito cria uma força física poderosa conhecida como tensão de cisalhamento. Pense nesta força como a pressão sentida ao apertar um tubo de pasta de dentes; quanto mais rápido e com mais força você aperta, mais o conteúdo é esfregado e esticado contra as paredes do tubo. Para as células vivas, que são delicadas e frágeis, este atrito pode ser prejudicial, potencialmente matando-as ou danificando sua capacidade de funcionar uma vez que a estrutura seja construída. Compreender exatamente quanta força essas células conseguem suportar é essencial se os cientistas esperam criar tecidos vivos confiáveis.

Uma equipe de pesquisadores partiu para medir e prever como essa força de compressão afeta dois tipos diferentes de células humanas trabalhando juntas: células de vasos sanguíneos e células de tecido mamário. Para fazer isso, eles não simplesmente imprimiram as células e esperaram pelo melhor. Em vez disso, construíram um sistema completo para observar, calcular e testar o que acontece dentro da impressora. Primeiro, eles estudaram a substância espessa e gelatinosa usada para segurar as células, conhecida como gelatina metacriloila. Eles testaram este material em duas concentrações e temperaturas diferentes para ver como ele fluía. Descobriram que a maneira como o material se comportava poderia ser descrita por modelos matemáticos que preveem como líquidos espessos se movem, permitindo que simulassem o processo de impressão em um computador antes mesmo de tocarem em uma célula real.

Para garantir que suas simulações de computador fossem precisas, os pesquisadores usaram uma câmera de alta velocidade para observar minúsculas partículas se movendo dentro do gel fluido, confirmando que as previsões digitais correspondiam ao movimento do mundo real. Com este modelo confiável em mãos, eles voltaram sua atenção para as próprias células. Eles imprimiram uma mistura dos dois tipos de células no gel sob diferentes pressões e concentrações. Os resultados revelaram uma relação complexa entre as condições de impressão e a saúde das células. Quando as células foram impressas em um gel mais fraco a uma temperatura mais baixa, o efeito imediato mostrou um aumento na morte celular. Curiosamente, o gel mais forte demonstrou níveis de tensão de cisalhamento mais altos em comparação ao gel mais fraco, mas não causou o mesmo pico imediato de células morrendo.

No entanto, a história não terminou no momento em que a impressão parou. Os pesquisadores deixaram as estruturas impressas descansarem por um dia para ver como as células se recuperavam. Eles descobriram que mesmo baixos níveis de estresse do processo de impressão tinham um efeito retardado. À medida que a pressão usada durante a impressão aumentava, o número de células morrendo crescia após apenas um dia de cultura. Isso sugere que as células são sensíveis às forças físicas do processo de impressão de maneiras que não são imediatamente óbvias. O estudo fornece um método sólido para prever esses efeitos, mostrando que, ao combinar a modelagem computacional com a observação cuidadosa, os cientistas podem compreender melhor as forças ocultas que moldam o futuro da impressão de tecidos vivos.