Bioimpressão de materiais vivos funcionais microporosos a partir de proteínas

Oct 11, 2023

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 322 (2023) Citar este artigo

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Os materiais vivos reúnem ciência e biologia de materiais para permitir a engenharia e o aumento de sistemas vivos com novas funcionalidades. A bioimpressão promete um controle preciso sobre a formação de tais materiais complexos por meio da deposição programável de células em materiais macios, mas as abordagens atuais tiveram sucesso limitado no ajuste fino dos microambientes celulares enquanto geravam morfologias macroscópicas robustas. Aqui, abordamos esse desafio por meio do uso de tinta de microgel de núcleo-casca para desacoplar microambientes celulares do invólucro estrutural para processamento posterior. As células são imobilizadas microfluidicamente no núcleo viscoso que pode promover a formação de ambas as populações microbianas e esferoides celulares de mamíferos, seguido de recozimento interpartícula para fornecer andaimes funcionais estabilizados covalentemente com microporosidade controlada. Os resultados mostram que a estratégia core-shell mitiga o vazamento de células enquanto proporciona um ambiente favorável para a cultura celular. Além disso, demonstramos que diferentes consórcios microbianos podem ser impressos em andaimes para uma variedade de aplicações. Ao compartimentalizar consórcios microbianos em microgéis separados, a capacidade coletiva de bioprocessamento do andaime é significativamente aprimorada, lançando luz sobre estratégias para aumentar os materiais vivos com recursos de bioprocessamento.

Materiais vivos são materiais complexos que incorporam células vivas em componentes não vivos1,2. Dependendo da natureza das interações com as células componentes, esses materiais podem variar de meios bioinertes que oferecem funções de andaime3,4,5,6,7, a biomateriais instrutivos de células que podem direcionar comportamentos celulares8,9,10 e, recentemente, até mesmo a matrizes geneticamente programáveis ​​produzidas por células que mimetizam a formação natural de biofilmes11,12,13,14,15. A funcionalidade de tais materiais compostos deriva principalmente de células embutidas; como tal, o material deve sempre servir para que as células cresçam e funcionem adequadamente. No entanto, normalmente também existem fortes restrições nas propriedades macroscópicas do material devido ao requisito funcional de uma estrutura final para apresentar uma forma física que possa ser manuseada, entregue, preservada, reutilizada e que proteja as células. A sinergia entre materiais e biologia não apenas transformou dramaticamente nossa compreensão dos processos celulares16, mas também nos trouxe a capacidade de projetar sistemas vivos para uma infinidade de aplicações, desde a entrega terapêutica de células para medicina regenerativa17,18,19, até sob demanda produção de produtos químicos de alto valor por meio de bioprocessamento microbiano6,7.

A manipulação da distribuição espacial das células é uma das capacidades mais procuradas no campo dos materiais vivos. A bioimpressão sem dúvida capturou mais atenção20,21 devido à sua versatilidade e compatibilidade com muitos materiais macios amigáveis ​​às células. Por exemplo, a bioimpressão permite a deposição programável de células de mamíferos em hidrogéis bioativos para criar construções biológicas 3D que recapitulam melhor a complexidade e a heterogeneidade dos tecidos nativos22,23,24,25, que possuem valores translacionais tremendos na biomedicina. Os micróbios de bioimpressão também tiveram aplicações aumentadas nos últimos anos, pois ampliam nossa compreensão das comunidades bacterianas dinâmicas26 e fornecem insights para o aprimoramento do bioprocessamento3,4,5,6. No entanto, as rotinas atuais de bioimpressão muitas vezes compensam a adequação às células para melhorar a capacidade de fabricação do material, pois as propriedades mecânicas e reológicas inerentes da biotinta não podem ser adequadamente desacopladas dos microambientes celulares27,28. Além disso, continua sendo um desafio construir morfologias de materiais macroscópicos arbitrários com nichos celulares bem definidos para estabelecer interações robustas entre diferentes comunidades celulares20,21,29.