Os investigadores da UNSW Sydney revelaram um protótipo de dispositivo que pode imprimir células vivas em 3D directamente nos órgãos internos. A nova ferramenta pode ser potencialmente utilizada como uma ferramenta cirúrgica endoscópica abrangente.

A bioimpressão 3D é um processo pelo qual as peças biomédicas são fabricadas a partir do chamado bioink para construir estruturas semelhantes a tecidos naturais.

A bioimpressão é predominantemente utilizada para fins de investigação, como a engenharia de tecidos e no desenvolvimento de novos fármacos – e normalmente requer a utilização de grandes máquinas de impressão 3D para produzir estruturas celulares fora do corpo vivo.

A nova investigação do Laboratório de Robótica Médica da UNSW, liderada pelo Dr Thanh Nho Do e pela sua aluna de doutoramento, Mai Thanh Thai, em colaboração com outros investigadores da UNSW, incluindo o Professor de Scientia Nigel Lovell, o Dr Hoang-Phuong Phan, e a Professora Associada Jelena Rnjak-Kovacina, é detalhada num artigo publicado em Ciência Avançada.

O seu trabalho resultou numa minúscula bioimpressora 3D flexível que tem a capacidade de ser inserida no corpo tal como um endoscópio e entregar directamente biomateriais multicamadas na superfície dos órgãos e tecidos internos.

O dispositivo de prova de conceito, conhecido como F3DB, apresenta uma cabeça giratória altamente manobrável que ‘imprime’ o bioink, preso ao fim de um braço robótico longo e flexível como uma cobra, tudo isto pode ser controlado externamente.

A equipa de investigação diz que com um maior desenvolvimento, e potencialmente dentro de cinco a sete anos, a tecnologia poderia ser utilizada por profissionais médicos para aceder a áreas de difícil acesso no interior do corpo através de pequenas incisões na pele ou orifícios naturais.

A equipa de investigação testou o dispositivo dentro de um cólon artificial onde era capaz de atravessar espaços confinados antes de imprimir com sucesso em 3D.

O Dr. Do e a sua equipa testaram o seu dispositivo dentro de um cólon artificial, bem como a impressão 3D de uma variedade de materiais com diferentes formas na superfície do rim de um porco.

“As técnicas de bioimpressão 3D existentes requerem que os biomateriais sejam feitos fora do corpo e a sua implantação numa pessoa exigiria normalmente uma grande cirurgia a céu aberto, o que aumenta os riscos de infecção”, disse o Dr. Do, um Conferencista Sénior de Scientia na Escola Superior de Engenharia Biomédica da UNSW (GSBmE) e no Instituto de Engenharia da Saúde da Fundação Tyree (IHealthE). “A nossa bioimpressora 3D flexível significa que os biomateriais podem ser entregues directamente no tecido ou órgãos alvo com uma abordagem minimamente invasiva.

Este sistema oferece o potencial para a reconstrução precisa de feridas tridimensionais no interior do corpo, tais como ferimentos na parede gástrica ou danos e doenças no interior do cólon. O nosso protótipo é capaz de imprimir em 3D biomateriais multicamadas de diferentes tamanhos e formas através de áreas confinadas e de difícil acesso, graças ao seu corpo flexível. A nossa abordagem também aborda limitações significativas em bioimpressoras 3D existentes, tais como desajustes de superfície entre biomateriais impressos em 3D e tecidos/orgãos alvo, bem como danos estruturais durante o manuseamento manual, transferência, e processo de transporte”.

O Professor Scientia Nigel Lovell, Chefe do GSBmE e Director do IHealthE, acrescentou: “Actualmente, não existem dispositivos comercialmente disponíveis que possam efectuar bioimpressão in situ em 3D em tecidos/orgãos internos distanciados da superfície da pele. Alguns outros dispositivos de prova de conceito foram apresentados, mas são muito mais rígidos e complicados de utilizar em espaços complexos e confinados no interior do corpo”.

O mais pequeno protótipo de F3DB produzido pela equipa da UNSW tem um diâmetro semelhante aos endoscópios terapêuticos comerciais (aproximadamente 11-13mm), que é suficientemente pequeno para ser inserido num tracto gastrointestinal humano.

Mas os investigadores dizem que poderia facilmente ser escalado ainda mais pequeno para usos médicos futuros.

Robótica suave

O dispositivo possui uma cabeça de impressão de três eixos montada directamente na ponta de um braço robótico macio. Esta cabeça de impressão, que consiste em músculos artificiais suaves que lhe permitem mover-se em três direcções, funciona de forma muito semelhante às impressoras 3D convencionais de secretária.

O braço robótico macio pode dobrar-se e torcer-se devido à hidráulica e pode ser fabricado em qualquer comprimento necessário. A sua rigidez pode ser finamente afinada utilizando diferentes tipos de tubos e tecidos elásticos.

O bico de impressão pode ser programado para imprimir formas pré-determinadas, ou operado manualmente quando for necessária uma bioimpressão mais complexa ou indeterminada. Além disso, a equipa utilizou um controlador baseado na aprendizagem da máquina que pode auxiliar o processo de impressão.

Para demonstrar ainda mais a viabilidade da tecnologia, a equipa UNSW testou a viabilidade celular do biomaterial vivo após ter sido impresso através do seu sistema.

As experiências mostraram que as células não foram afectadas pelo processo, tendo-se observado que a maioria das células estavam vivas após a impressão. As células continuaram então a crescer durante os sete dias seguintes, com quatro vezes mais células observadas uma semana após a impressão.

Ferramenta cirúrgica endoscópica tudo-em-um

A equipa de investigação também demonstrou como o F3DB podia ser potencialmente utilizado como uma ferramenta cirúrgica endoscópica tudo-em-um para executar uma série de funções.

Dizem que isto poderia ser especialmente importante na cirurgia para remover certos cancros, especialmente o cancro colorrectal, através de um processo conhecido como dissecção submucosa endoscópica (ESD).

A nível mundial, o cancro colorrectal é a terceira causa mais comum de morte por cancro, mas a remoção precoce da neoplasia colorrectal leva a um aumento de pelo menos 90 por cento na taxa de sobrevivência de cinco anos do paciente.

O bocal da cabeça de impressão F3DB pode ser utilizado como um tipo de bisturi eléctrico para primeiro marcar e depois cortar as lesões cancerosas.

A água também pode ser dirigida através do bocal para limpar simultaneamente qualquer sangue e tecido em excesso do local, enquanto a cura mais rápida pode ser promovida pela impressão 3D imediata de biomaterial directamente enquanto o braço robótico ainda estiver no local.

A equipa de investigação demonstrou a forma como o F3DB poderia ser utilizado de várias formas diferentes se desenvolvido para ser uma ferramenta cirúrgica endoscópica tudo-em-um.

A capacidade de realizar tais procedimentos multifuncionais foi demonstrada no intestino de um porco e os investigadores dizem que os resultados mostram que o F3DB é um candidato promissor para o desenvolvimento futuro de uma ferramenta cirúrgica endoscópica tudo-em-um.

“Comparado com as ferramentas cirúrgicas endoscópicas existentes, o F3DB desenvolvido foi concebido como uma ferramenta endoscópica tudo-em-um que evita a utilização de ferramentas variáveis que estão normalmente associadas a um tempo processual mais longo e riscos de infecção”, disse Mai Thanh Thai.

A fase seguinte de desenvolvimento do sistema, ao qual foi concedida uma patente provisória, é o ensaio in vivo em animais vivos para demonstrar a sua utilização prática.

Os investigadores também planeiam implementar características adicionais, tais como uma câmara integrada e um sistema de digitalização em tempo real que reconstruiria a tomografia 3D do tecido em movimento no interior do corpo.

Saiba mais sobre a UNSW Sydney em unsw.edu.au.