Imagine um mundo onde podemos imprimir órgãos humanos, não apenas em 3D, mas com a capacidade de crescer e evoluir como tecidos vivos. Esta é a promessa da impressão 5D. Neste guia, vamos explorar a forma como esta tecnologia inovadora vai para além da impressão tradicional, introduzindo materiais de auto-crescimento que poderão revolucionar a medicina e o fabrico. Ao continuar a ler, descobrirá os potenciais impactos nos transplantes de órgãos, no desenvolvimento de entidades semelhantes à vida e no futuro da inteligência artificial. Pronto para mergulhar no futuro do fabrico?
Em fevereiro de 2013, o americano Skylar Tibbits introduziu o conceito de impressão 4D e, cinco meses mais tarde, o académico Lu Bingheng da Universidade de Xi'an Jiaotong propôs o conceito de impressão 5D.
Num artigo intitulado "Roteiro de desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D", publicado na China Information Week em 29 de julho de 2013, o académico Lu Bingheng foi o primeiro a sugerir que a impressão 5D é a forma atual de impressão celular, em que os tecidos e órgãos vivos de que necessitamos podem ser criados através da impressão.
O Comissário continuou a descrever a impressão 5D em várias ocasiões, explicando que, à medida que o tempo avança, não só a forma muda, como também a funcionalidade evolui. Por exemplo, na impressão de órgãos humanos, após a impressão de um suporte, as células humanas são incorporadas no mesmo e, no ambiente correto, transformam-se em diferentes tecidos, acabando por se tornar um órgão.
É claro que a impressão 5D é muito mais do que um simples conceito: se a impressão 4D acrescenta a dimensão do tempo à impressão 3D, utilizando materiais inteligentes para a auto-montagem, então a impressão 5D introduz a capacidade de auto-crescimento, o que não é apenas acrescentar outra dimensão, mas expandir-se para múltiplas dimensões.
É importante notar: Em primeiro lugar, embora a impressão 5D continue a utilizar equipamento de tecnologia de impressão 3D, os materiais impressos são células vivas e factores biologicamente activos que possuem vitalidade. Estes biomateriais devem sofrer alterações funcionais durante o seu desenvolvimento subsequente; assim, deve ser considerada desde o início uma conceção de ciclo de vida completo.
Em segundo lugar, alguns dos actuais processos de fabrico 5D de forma livre referem-se à maquinagem de cinco eixos ao nível da tecnologia de fabrico, que ainda se insere no domínio do fabrico 3D e é totalmente diferente do conceito de impressão 5D, carecendo de um papel de liderança na inovação científica e tecnológica.
Claramente, a impressão 5D transformará o fabrico tradicional, que se caracteriza por estruturas estáticas e desempenhos fixos, numa funcionalidade dinâmica e mutável, rompendo os paradigmas convencionais de fabrico na direção da inteligência estrutural e da génese funcional.
Isto trará mudanças disruptivas à tecnologia de fabrico e à inteligência artificial, evoluindo a produção de entidades não vivas para entidades semelhantes à vida, com a capacidade de alterar a forma e as propriedades.
A curto prazo, esta tecnologia poderá revolucionar os transplantes de órgãos e os serviços de saúde para os seres humanos e, a longo prazo, tem o potencial de criar uma nova direção para a ciência da produção e para as ciências da vida, impulsionando um desenvolvimento inovador na inteligência artificial.
A essência da impressão 5D reside no fabrico de tecidos com funções vitais, oferecendo aos seres humanos a capacidade de fabricar órgãos funcionais à medida. A tecnologia para o fabrico de tecidos e órgãos artificiais é uma área chave apoiada por potências mundiais de fabrico.
Por exemplo, o "Outlook on Manufacturing Challenges for 2020" dos Estados Unidos identifica o fabrico de tecidos biológicos como uma das principais direcções para a alta tecnologia; o "Strategic Report on the Future of Manufacturing: 2015-2020" da Comissão Europeia sugere uma concentração no desenvolvimento de biomateriais e próteses artificiais, posicionando a biotecnologia como uma das quatro principais disciplinas subjacentes ao futuro da indústria transformadora;
O roteiro tecnológico da Sociedade Japonesa de Engenheiros Mecânicos destaca a microbiomecânica para promover a regeneração de tecidos como uma das dez direcções de investigação. Tanto o sector internacional como o nacional conseguiram aplicações clínicas parciais e a industrialização no fabrico de substitutos humanos personalizados e tecidos activos semelhantes a membranas.
No entanto, o fabrico de engenharia de tecidos e órgãos activos complexos continua a colocar muitos desafios. Atualmente, existem mais de 300 instituições e empresas em todo o mundo dedicadas à investigação e desenvolvimento da tecnologia biológica 3D.
Entre eles, o Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, nos Estados Unidos, obteve uma série de resultados pioneiros no domínio do 3D biológico: foram os primeiros a imprimir com sucesso células estaminais e a induzir a diferenciação de tecido ósseo funcional; em colaboração com o Instituto de Medicina Regenerativa do Exército dos EUA, desenvolveram uma impressora 3D de pele; também imprimiram em 3D estruturas semelhantes a "rins artificiais".
A nível internacional, foram desenvolvidas estruturas de redes vasculares integradas heterogéneas e dispositivos de impressão de células integradas heterogéneas, que produzem estruturas celulares heterogéneas, como os fragmentos de osso craniano humano e a cartilagem auricular.
Na China, foi realizada a impressão de ossos, dentes, andaimes de cartilagem auricular e estruturas vasculares, com aplicações clínicas preliminares; foram também fabricados modelos de células estaminais de glioblastoma e modelos de fibras heterogéneas multicelulares de tumores cerebrais. Universidades chinesas de renome, incluindo a Universidade de Tsinghua, a Universidade de Xi'an Jiaotong, a Universidade de Zhejiang, a Universidade de Tecnologia do Sul da China, a Universidade de Sichuan e a Universidade de Jilin, realizaram uma investigação aprofundada neste domínio.
O fosso entre algumas áreas nacionais de fabrico de produtos biológicos e o nível avançado internacional está a diminuir, tendo algumas delas alcançado mesmo uma posição de liderança a nível mundial.
A impressão 5D representa a convergência da tecnologia de fabrico e da tecnologia das ciências da vida, em que a conceção, o fabrico e a regulação intencionais estão no centro. As principais questões-chave incluem os cinco aspectos seguintes.
Com base na compreensão das propriedades de auto-crescimento das entidades vivas, é necessário desenvolver teorias para a conceção estrutural e funcional das células e dos genes na fase elementar e ao longo do processo de crescimento.
Os principais desafios incluem: em primeiro lugar, ultrapassar as teorias de conceção mecânica existentes, centradas na conceção estrutural e na função mecânica, para desenvolver métodos de conceção que co-evoluam a estrutura, a atuação e a função; em segundo lugar, compreender as leis que regem a replicação celular e genética e a auto-replicação para conceber a composição e a estrutura das células em estado inicial que crescem de acordo com as suas próprias regras;
e, em terceiro lugar, a realização de investigação sobre materiais, processos de fabrico e métodos de controlo de engenharia para entidades vivas que sejam degradáveis, possuam uma resistência de engenharia adequada e possam ser activadas e cultivadas em determinados ambientes.
Na impressão 5D, as unidades vivas servem de base ao crescimento e desenvolvimento dos tecidos, com células ou genes individuais a constituírem o núcleo da manifestação funcional subsequente. A acumulação à escala micro e nano destas unidades vivas requer o estudo dos seus princípios de empilhamento e inter-relações.
Ao ajustar as relações intercelulares, podemos controlar a estrutura espacial tridimensional e as funções, facilitando assim o crescimento dos tecidos e a regeneração funcional. A marca registada da impressão 5D é a regeneração funcional de entidades vivas, sendo a preservação da sua viabilidade fundamental.
Por conseguinte, o fabrico de entidades vivas requer a criação de um ambiente de cultivo adequado, incluindo o controlo de nutrientes, oxigénio, dióxido de carbono e outras condições atmosféricas no meio de cultura, para criar uma sinergia entre o ambiente biológico e o processo de impressão.
É vital estudar os mecanismos e a inovação dos processos que permitem que diferentes materiais e estruturas se transformem em vários tecidos e funções em determinados ambientes. As estruturas e funções iniciais na impressão 5D precisam de se desenvolver em funcionalidades finais em ambientes específicos.
Para tal, é necessário compreender a relação entre a formação da função e o fabrico da conceção, bem como as leis das alterações funcionais ao longo do tempo em sistemas multicelulares.
Incluem-se aqui as relações de interconectividade e interacções celulares que, através dos seus efeitos, constroem funções de libertação de energia (células musculares) ou de transmissão de informação (neurónios), fornecendo uma base técnica para o desenvolvimento de dispositivos multifuncionais.
As entidades vivas são organizações funcionais controláveis pela informação, à semelhança do papel dos neurónios nos animais e nos seres humanos. Na impressão 5D, é crucial explorar que materiais e estruturas podem substituir as funções neurais, como transmitir corretamente sinais eléctricos ou químicos e como conduzir a formação de várias funcionalidades nos tecidos.
A investigação de tecidos neuronais e cerebrais ajudará a estabelecer organizações de transmissão de informação baseadas nas características naturais humanas, avançando para uma inteligência artificial com uma organização natural semelhante à do cérebro.
A atual aprendizagem profunda em inteligência artificial baseia-se na conjetura de modelos, na formação de dados, na acumulação de aprendizagem contínua e até utiliza algoritmos genéticos biológicos para realizar funções de inteligência artificial, tal como os aviões substituíram os pássaros.
No futuro, as entidades semelhantes ao cérebro poderão utilizar a impressão 5D para implantar chips em órgãos recriados ou artificiais, aprender com a interconectividade aleatória dos neurónios do cérebro humano para criar chips biológicos poderosos ou utilizar genes para replicar inteiramente um cérebro biologicamente ativo.
A recolha de informações, o controlo da tomada de decisões e a atuação entre o cérebro artificial, os órgãos originais humanos e vários órgãos artificiais são áreas que aguardam mais investigação e inovação.
Na implementação da tecnologia de impressão 5D, é essencial compreender os princípios de conceção e fabrico. Visando órgãos específicos ou dispositivos biológicos, é necessário empenhar-se na conceção sistemática do crescimento estrutural e funcional.
Isto implica compreender como regular as combinações celulares ou genéticas na impressão 5D, como controlar os danos induzidos pelo processo no organismo vivo durante a impressão e como gerir as funções dos órgãos ou dispositivos formados, bem como as intervenções e a orientação no crescimento celular.
É necessário compreender a relação entre a impressão 5D e a formação funcional, avaliar e medir as funções de dispositivos ou tecidos multifuncionais e estabelecer um sistema de investigação que integre a conceção de unidades de vida, a impressão sem danos e a criação de funções. Isto proporciona o apoio técnico necessário para o desenvolvimento de órgãos e dispositivos com propriedades biológicas.
A impressão 5D fará com que o fabrico passe de materiais como a madeira, o metal e o silício para materiais biológicos, fazendo a transição de estruturas imutáveis para dispositivos capazes de regeneração funcional.
Para tal, é crucial estabelecer técnicas de conceção e fabrico transformadoras, orientadas pela funcionalidade, e fazer avançar a tecnologia de fabrico através da integração interdisciplinar. O Laboratório Estatal de Engenharia de Sistemas de Fabrico Mecânico da Universidade de Xi'an Jiaotong realizou explorações promissoras na direção do desenvolvimento da impressão 5D.
O enfarte do miocárdio é uma doença grave que representa uma ameaça significativa para a saúde humana. Os adesivos cardíacos existentes carecem de propriedades electrofisiológicas e não conseguem estabelecer a condução do sinal elétrico com o miocárdio hospedeiro, não conseguindo assim obter uma contração síncrona e prejudicando gravemente a recuperação funcional do miocárdio enfartado.
Por conseguinte, é necessária investigação sobre a integração de funções de deteção condutora nos tecidos cardíacos tradicionais. Isto implica a utilização de tecnologia de impressão 3D micro/nano multimaterial para conseguir o fabrico integrado e controlável de andaimes cardíacos com sensores condutores, oferecendo novos meios para explorar a patogénese e o tratamento do enfarte do miocárdio.
Esta investigação irá impulsionar o fabrico biológico, desde o fabrico tradicional de andaimes até ao desenvolvimento de andaimes inteligentes com sensores condutores. Simulando a estrutura de micro/nanofibras da matriz extracelular cardíaca natural, foi realizada investigação sobre técnicas de impressão eletrostática multimaterial de fibras condutoras compostas à micro/sub-microescala.
Utilizando a impressão eletrostática por fusão, foram fabricadas microfibras de poli(caprolactona) (PCL) com um diâmetro de 9,5μm±1,5μm; utilizando a impressão eletrostática em solução, foram produzidas fibras condutoras de poli(3,4-etilenodioxitiofeno)/poli(estirenossulfonato)-óxido de polietileno (PEDOT:PSS-PEO) com um diâmetro de 470nm±76nm.
As fibras condutoras de PEDOT:PSS-PEO em sub-microescala apresentaram uma excelente condutividade, com uma condutividade de 1,72×103S/m. Utilizando um método de acumulação camada a camada, foram criados andaimes compostos multicamadas, constituídos por andaimes de microfibras multicamadas com várias orientações e andaimes condutores em micro/sub-microescala, como se mostra na Figura 8-17.
O andaime compósito multicamada apresentou propriedades mecânicas favoráveis na direção da fibra, com um módulo de elasticidade de aproximadamente 13,0 MPa. As medições da condutividade do andaime demonstraram que a adição de fibras condutoras de PEDOT:PSS-PEO em sub-microescala aumentou significativamente a condutividade do andaime.
Além disso, os suportes condutores em micro/sub-microescala mantiveram uma condutividade estável num ambiente aquoso, lançando as bases para experiências celulares subsequentes.
Os cardiomiócitos primários, as células mais importantes do tecido cardíaco, fornecem a força para a contração do coração e o fluxo sanguíneo.
Foi estudada a influência do suporte compósito multicamadas acima mencionado no crescimento orientado e no batimento síncrono de cardiomiócitos primários de ratos. Após oito dias de co-cultura, observou-se que os cardiomiócitos primários eram capazes de crescer ao longo de fibras PCL de escala micrométrica e formar redes celulares complexas e orientadas em fibras condutoras PEDOT:PSS-PEO sub-micrométricas.
As células também expressaram quantidades substanciais das proteínas específicas do coração α-actinina e CX43. A análise da quantificação da fluorescência revelou que a quantidade destas proteínas expressas em fibras condutoras submicrométricas de PEDOT:PSS-PEO era significativamente mais elevada em comparação com fibras micrométricas de PCL.
Isto demonstra que as fibras condutoras submicrométricas de PEDOT:PSS-PEO aumentaram a condutividade do suporte, melhoraram a transmissão de sinais eléctricos intercelulares, a expressão de proteínas e a capacidade de batimento dos cardiomiócitos. Além disso, o design orientado e em camadas da estrutura condutora multi-camadas facilitou ainda mais o batimento síncrono de cardiomiócitos primários.
A neurociência é uma das direcções mais significativas da investigação científica atual e um ponto alto da competição científica entre nações. Em 2013, o Presidente Obama dos Estados Unidos anunciou a Iniciativa Cérebro, que foi logo seguida pela União Europeia e pelo Japão com o lançamento do Projeto Cérebro Humano e do Projeto Cérebro/Mentes, respetivamente.
No "13.º Plano Quinquenal" da China, a ciência do cérebro e a investigação sobre o cérebro ocupam o quarto lugar entre 100 grandes projectos. De acordo com a Organização Mundial de Saúde, as doenças do cérebro, como Parkinson, Alzheimer, autismo e depressão, tornaram-se um fardo social maior do que as doenças cardiovasculares e o cancro. Devido a uma compreensão limitada da sua patogénese, quase todos os casos carecem de tratamentos eficazes.
Na investigação das ciências do cérebro e das doenças cerebrais, a falta de dadores de tecido cerebral humano tornou-se um grande obstáculo. Os tecidos cerebrais animais não podem representar totalmente as características do cérebro humano; por conseguinte, a construção de modelos in vitro que imitem de perto o tecido cerebral humano natural é um requisito inevitável para o avanço da neurociência.
A funcionalidade dos neurónios no tecido cerebral e a sua sinalização são fundamentais para a função cognitiva. A disposição destas células, os seus tipos e densidades nas camadas corticais estão na base das zonas funcionais do córtex cerebral. Passar da compreensão do cérebro para a sua criação marca a direção para o desenvolvimento de computadores semelhantes ao cérebro.
A construção morfológica e funcional in vitro do tecido cerebral depende da conceção biomimética e do fabrico preciso dos tipos de neurónios, das estruturas de construção e das combinações de neurónios correspondentes às áreas funcionais visadas. Esta é uma direção de futuro que a impressão 5D de funções biológicas semelhantes às do cérebro deve seguir.
No desenvolvimento de equipamento para a construção in vitro de tecido semelhante ao cérebro, foi concebido e montado um sistema integrado de impressão/cultura de células. Pode imprimir simultaneamente várias células e componentes da matriz, com uma velocidade da cabeça de impressão de 100 a 1000 mL/min e uma precisão de movimento da mesa de trabalho X-Y não superior a 20μm.
Pode imprimir camadas de tecido com 100 a 300μm de espessura, mantendo uma temperatura da câmara de impressão de 37°C±1°C. As concentrações de oxigénio e dióxido de carbono são ajustáveis, com desvios de concentração dentro de ±1%, proporcionando uma plataforma de equipamento para a impressão in vitro de tecidos semelhantes ao cérebro com várias células, como se mostra na Figura 8-18.
Com base no equipamento de impressão existente, os parâmetros do processo de impressão foram optimizados para se adaptarem aos requisitos de impressão de células neuronais, conseguindo-se a preparação de tecidos neurais tridimensionais viáveis que encapsulam células neuronais primárias de rato com uma viabilidade celular pós-impressão superior a 94%.
O tecido cerebral natural é constituído principalmente por dois tipos de células neurais: neurónios e neuroglia. Utilizando a plataforma acima referida, construímos modelos de tecido neuronal puro, tecido misto de neurónios e células gliais e estruturas de tecido complexas com neurónios e células gliais coexistindo numa disposição espacial tridimensional predefinida.
Esta configuração permitiu a co-cultura in vitro de neurónios e células gliais de tecido ativo semelhante ao cérebro, em várias relações estruturais espaciais. A investigação indica que os neurónios, posicionados adjacentes mas estratificados em relação às células gliais, podem apresentar morfologias e expressões bioquímicas mais reminiscentes dos tecidos cerebrais naturais do que os neurónios cultivados isoladamente in vitro.
Este modelo fornece uma representação mais exacta e uma base de investigação para a coexistência de células neurogliais e neurónios numa perspetiva tridimensional, lançando as bases para os esforços subsequentes da ciência do cérebro e estudos farmacológicos patológicos utilizando modelos in vitro.
As máquinas actuais estão limitadas por uma baixa eficiência de conversão de energia e flexibilidade. Os robôs flexíveis multidireccionais de inspiração biológica, alimentados por tecido muscular ou células vivas, representam o futuro da maquinaria bio-simbiótica com elevada eficiência de conversão de energia, segurança intrínseca e movimentos ágeis. Para tal, é necessária investigação sobre métodos de fabrico de compósitos multicelulares/multimateriais para robôs bioinspirados.
Esta investigação tem como objetivo fornecer uma abordagem de fabrico rápido repetível e personalizável baseada nos requisitos funcionais locomotores de robôs semelhantes à vida que integram sistemas biológicos e mecânicos.
① Para o design da entidade biológica, desenvolvemos uma microestrutura de andaime de razão de Poisson negativa para cultivar e diferenciar células musculares. Este design aumenta o grau de diferenciação das células musculares e a força de contração do tecido muscular, ao mesmo tempo que fornece a proteção e os nutrientes necessários para manter a atividade a longo prazo da entidade biológica.
② Relativamente ao fabrico da entidade biológica, a impressão 3D foi utilizada para fabricar bio-componentes. A investigação experimental sobre o crescimento e a diferenciação de células do músculo esquelético revelou que estas células podem diferenciar-se em fibras musculares maduras, lançando as bases para a construção de entidades biológicas funcionais. Além disso, construímos um robô híbrido biomecânico rastejante inspirado na lesma do mar.
③ Em termos de regulação da funcionalidade da entidade biológica, foi estabelecida uma plataforma de estimulação de acoplamento multi-campo. Foram realizados estudos sobre os mecanismos reguladores dos estímulos biónicos de enriquecimento ambiental (tais como estímulos eléctricos e mecânicos) sobre o desempenho de condução da entidade biológica.
No que diz respeito ao desempenho de condução de robôs bioinspirados, foi desenvolvido um modelo cinemático e dinâmico baseado num sistema mola-amortecedor de segunda ordem para o robô. Utilizando uma plataforma experimental cinemática e dinâmica, foram efectuados testes de desempenho de condução do robô. Os resultados mostraram que, sob uma estimulação de impulsos de onda quadrada com uma frequência de 50 Hz e uma tensão de 1 V, o robô conseguia arrastar-se para a frente a uma velocidade de 2 mm/s.
A investigação acima referida explora as potenciais direcções futuras para os robôs de corpo vivo.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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