Exploring Biomimicry: Integrating materials science strategies with 3D printing technologies to enhance the replication of biological tissues

Abstract

Recentment, hi ha un interès creixent en el desenvolupament de noves teràpies que intenten identificar les diferències entre els pacients i adaptar-les a ells per millorar els resultats dels tractaments mèdics. Aquesta branca de la medicina es coneix com a medicina personalitzada. Exemples d’aquestes noves teràpies, entre altres, són la utilització de biomodels per a l'avaluació sense risc de cirurgies personalitzades i el desenvolupament d’scaffolds que imiten teixits naturals per promoure la curació i la restauració de teixits danyats. Per tant, la utilitat d'aquestes noves teràpies i la seva eficàcia estan intrínsecament lligades a com aquests models poden replicar amb precisió les complexitats dels teixits que pretenen simular o amb els quals han d’interactuar. No obstant això, s'han identificat diversos reptes en la replicació de les característiques específiques dels teixits a la literatura, sent alguns dels més importants la disponibilitat limitada de materials que imitin amb precisió els teixits tous i, alhora, puguin capturar la complexitat de l'anatomia i forma dels teixits i òrgans.

Per abordar aquestes limitacions, aquesta tesi presenta la feina realitzada en el desenvolupament de materials que recreen els teixits biològics en diferents característiques per millorar la simulació i creació de teixits biològics mitjançant materials i tecnologies avançades. En el context de la primera necessitat mèdica, mitjançant el desenvolupament de materials basats en gels de silicona amb propietats viscoelàstiques adaptables, hem millorat la imitació de teixits tous per produir biomodels de teixits i òrgans més realistes. El control sobre les propietats d'impressió i viscoelàstiques s'aconsegueix mitjançant l'ajust precís de les formulacions de silicona utilitzant diferents modificadors de la seva reologia i propietats mecàniques. Els biomodels impresos en 3D utilitzant aquesta família de gels de silicona han demostrat replicar el perfil de mòduls elàstics i viscosos de diferents teixits tous i han estat validats positivament per cirurgians per a la seva aplicació clínica. Per la segona necessitat mèdica, hem anat un pas més enllà per intentar millorar els scaffolds per l’enginyeria de teixits. En aquesta part, ens hem centrat en l'ús de materials extrets d’humans, ja que aquests materials imiten estretament les propietats i la composició dels teixits natius, ja que provenen d'ells. S'han utilitzat diferents estratègies per transformar aquests productes, que presenten dificultats relacionades amb la seva impressió, integritat estructural i biocompatibilitat, en biotintes amb bones propietats d'impressió i estabilitat estructural al llarg del temps a condicions fisiològiques.

Recientemente, ha surgido un creciente interés en el desarrollo de nuevas terapias que buscan identificar las diferencias entre los pacientes y adaptarlas a ellos para mejorar los resultados de los tratamientos médicos. Esta rama de la medicina se conoce como medicina personalizada. Ejemplos de estas nuevas terapias, entre otras, incluyen la utilización de biomodelos para la evaluación sin riesgo de cirugías personalizadas y el desarrollo de scaffolds que imitan tejidos naturales para promover la regeneración de tejidos dañados. Por lo tanto, la utilidad de estas nuevas terapias y su eficacia están intrínsecamente ligadas a cómo estos modelos pueden replicar con precisión los tejidos que pretenden simular o con los que deben interactuar. Sin embargo, se han identificado diversos retos en el desarrollo de estas terapias, siendo algunos la disponibilidad limitada de materiales que imiten con precisión los tejidos blandos y, al mismo tiempo, puedan capturar la complejidad de la anatomía y forma de los tejidos y órganos.

Para abordar estas limitaciones, esta tesis presenta el trabajo realizado en el desarrollo de materiales que recrean los tejidos biológicos en diferentes características para mejorar la simulación y creación de tejidos biológicos mediante materiales y tecnologías avanzadas. En el contexto de la primera necesidad médica, mediante el desarrollo de materiales basados en geles de silicona con propiedades viscoelásticas adaptables, hemos mejorado la imitación de tejidos blandos para producir biomodelos de órganos más realistas. El control sobre las propiedades de impresión y viscoelásticas se logra utilizando diferentes modificadores de su reología y propiedades mecánicas. Los biomodelos impresos en 3D utilizando estos geles de silicona han demostrado replicar el perfil de módulos viscoelásticos de diferentes tejidos blandos y han sido validados positivamente por cirujanos para su aplicación clínica. Para la segunda necesidad médica, hemos ido un paso más allá para intentar mejorar los scaffolds para la ingeniería de tejidos. En esta parte, nos hemos centrado en el uso de materiales humanos, ya que estos imitan estrechamente las propiedades y la composición de los tejidos nativos, al provenir de ellos. Se han utilizado diferentes estrategias para transformar estos productos, que presentan dificultades relacionadas con su impresión, integridad estructural y biocompatibilidad, en biotintas con buenas propiedades de impresión y estabilidad estructural a lo largo del tiempo en condiciones fisiológicas.

Recently, interest in developing new therapies that try to identify the differences between patients and adapt to them to improve medical outcomes is increasing. This branch of medicine is called personalized medicine. Examples include the utilization of phantoms for risk-free evaluation of personalized surgeries and patient-specific tissue-engineered scaffolds mimicking natural tissues for promoting healing and restoration of damaged tissues. Therefore, the utility of these new therapies and their effectiveness in medical research and in clinical reality is intricately tied to how well these models can replicate the complexities of the tissues they aim to simulate or interact with. However, different challenges on the replication of tissue-specific characteristics have been identified in the literature. Some of the most important are the limited availability of materials that accurately mimic soft tissues and, in parallel, can capture the complexity of the anatomy and shape of tissues and organs.

To address these limitations, this thesis presents the work done in developing materials that closely recreate biological tissues in different characteristics to improve the simulation and creation of biological tissues using advanced materials and technologies applied to two medical needs. In the context of the first medical need, by developing silicone gel-based materials with tailored viscoelastic properties, we have improved the mimicking of soft tissues to produce more realistic tissue and organ phantoms. Control over printable and viscoelastic properties is achieved by fine-tuning silicone formulations using a different rheology and mechanical properties' modifier. The 3D-printed phantoms using this family of silicone gels have been shown to replicate the elastic and viscous modulus profiles of different soft tissues and have been positively validated by surgeons for their clinical application. For the second medical need, we move a step forward to try to improve tissue-engineered scaffolds. In this part, we have focused on the use of human-extracted TMMs as these materials inherently closely mimic the properties and composition of native tissues as they come from them. Different strategies have been used to transform raw human-derived products, which present difficulties related to their printability, structural integrity, and biocompatibility, into human-derived bioinks with printable properties and structural stability over time under physiological conditions.