Imagine um mundo em que possamos imprimir órgãos humanos, não apenas em 3D, mas com a capacidade de crescer e evoluir como tecidos vivos. Essa é a promessa da impressão 5D. Neste guia, exploraremos como essa tecnologia inovadora vai além da impressão tradicional, introduzindo materiais de crescimento automático que podem revolucionar a medicina e a fabricação. Ao continuar lendo, você descobrirá os possíveis impactos sobre os transplantes de órgãos, o desenvolvimento de entidades semelhantes à vida e o futuro da inteligência artificial. Pronto para mergulhar no futuro da fabricação?
Em fevereiro de 2013, o americano Skylar Tibbits apresentou o conceito de impressão 4D e, cinco meses depois, o acadêmico Lu Bingheng, da Xi'an Jiaotong University, propôs o conceito de impressão 5D.
Em um artigo intitulado "Development Roadmap of 3D Printing Technology" (Roteiro de desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D), publicado na China Information Week em 29 de julho de 2013, o acadêmico 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 precisamos podem ser criados por meio de impressão.
Ele continuou descrevendo a impressão 5D em várias ocasiões, explicando que, com o passar do tempo, não apenas a forma muda, mas a funcionalidade também evolui. Por exemplo, na impressão de órgãos humanos, após a impressão de um andaime, as células humanas são incorporadas a ele e, no ambiente certo, elas se transformam em diferentes tecidos, tornando-se, por fim, 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, usando materiais inteligentes para automontagem, então a impressão 5D introduz a capacidade de autocrescimento, o que não é apenas acrescentar outra dimensão, mas expandir para várias dimensões.
É importante observar: primeiro, embora a impressão 5D ainda use equipamentos de tecnologia de impressão 3D, os materiais impressos são células vivas e fatores biologicamente ativos que possuem vitalidade. Esses biomateriais devem passar por mudanças funcionais durante seu desenvolvimento subsequente; portanto, um projeto de ciclo de vida completo deve ser considerado desde o início.
Em segundo lugar, algumas das atuais manufaturas 5D de forma livre se referem à usinagem de cinco eixos no nível da tecnologia de manufatura, que ainda está dentro do domínio da manufatura 3D e é totalmente diferente do conceito de impressão 5D, sem um papel de liderança na inovação científica e tecnológica.
Claramente, a impressão 5D transformará a manufatura tradicional, caracterizada por estruturas estáticas e desempenhos fixos, em funcionalidade dinâmica e mutável, rompendo os paradigmas convencionais de manufatura na direção da inteligência estrutural e da gênese funcional.
Isso trará mudanças revolucionárias para a tecnologia de fabricação e a inteligência artificial, evoluindo a produção de entidades não vivas para entidades semelhantes à vida, com a capacidade de alterar a forma e as propriedades.
Em curto prazo, essa tecnologia pode revolucionar os transplantes de órgãos e os serviços de saúde para seres humanos e, em longo prazo, tem o potencial de criar uma nova direção para a ciência da manufatura e a ciência da vida, impulsionando um desenvolvimento inovador em inteligência artificial.
A essência da impressão 5D está na fabricação de tecidos com funções vitais, oferecendo aos seres humanos a capacidade de fabricar órgãos funcionais personalizados. A tecnologia para a fabricação de tecidos e órgãos artificiais é uma área fundamental apoiada por potências globais de fabricação.
Por exemplo, o "Outlook on Manufacturing Challenges for 2020" dos Estados Unidos identifica a fabricação de tecidos biológicos como uma das principais direções para a alta tecnologia; o "Strategic Report on the Future of Manufacturing: 2015-2020" da Comissão Europeia sugere um foco no desenvolvimento de biomateriais e próteses artificiais, posicionando a biotecnologia como uma das quatro principais disciplinas que sustentam o futuro da manufatura;
O roteiro tecnológico da Sociedade de Engenheiros Mecânicos do Japão destaca a microbiomecânica para promover a regeneração de tecidos como uma das dez direções de pesquisa. Os setores internacional e nacional alcançaram aplicações clínicas parciais e industrialização na fabricação de substitutos humanos personalizados e tecidos ativos semelhantes a membranas.
No entanto, a fabricação de engenharia de tecidos e órgãos ativos complexos ainda apresenta muitos desafios. Atualmente, há mais de 300 instituições e empresas em todo o mundo dedicadas à pesquisa e ao desenvolvimento da tecnologia biológica 3D.
Entre eles, o Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, nos Estados Unidos, obteve uma série de resultados pioneiros no campo da 3D biológica: eles foram os primeiros a imprimir com sucesso células-tronco e induzir a diferenciação de tecido ósseo funcional; em colaboração com o Instituto de Medicina Regenerativa do Exército dos EUA, desenvolveram uma impressora 3D para pele; eles também imprimiram em 3D estruturas semelhantes a "rins artificiais".
Internacionalmente, foram desenvolvidas estruturas de redes vasculares integradas heterogêneas e dispositivos de impressão de células integradas heterogêneas, produzindo estruturas celulares heterogêneas, como placas de ossos cranianos humanos e cartilagem de orelha.
Na China, foi realizada a impressão de ossos, dentes, estruturas de cartilagem de orelha e estruturas vasculares, com aplicações clínicas preliminares; também foram fabricados modelos de células-tronco de glioblastoma e modelos de fibra de tumor cerebral heterogêneo de várias células. Renomadas universidades chinesas, 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 pesquisas aprofundadas nesse campo.
A lacuna entre algumas áreas de fabricação de produtos biológicos nacionais e o nível avançado internacional está diminuindo, com algumas até mesmo alcançando uma posição de liderança global.
A impressão 5D representa a convergência da tecnologia de fabricação e da tecnologia de ciências da vida, em que o design, a fabricação e a regulamentação intencionais estão no centro. As principais questões-chave incluem os cinco aspectos a seguir.
Com base na compreensão das propriedades de autocrescimento das entidades vivas, é necessário desenvolver teorias para o projeto estrutural e funcional de células e genes no estágio elementar e durante todo o processo de crescimento.
Os principais desafios incluem: primeiro, romper com as teorias de projeto mecânico existentes, focadas no projeto estrutural e na função mecânica, para desenvolver métodos de projeto que co-evoluam a estrutura, a atuação e a função; segundo, compreender as leis que regem a replicação de células e genes e a autorreplicação para projetar a composição e a estrutura de células em estado inicial que crescem de acordo com suas próprias regras;
e terceiro, conduzir pesquisas sobre materiais, processos de fabricação e métodos de controle de engenharia para entidades vivas que sejam degradáveis, possuam resistência de engenharia adequada e possam ser ativadas e cultivadas em determinados ambientes.
Na impressão 5D, as unidades vivas servem como base para o crescimento e o desenvolvimento do tecido, com células ou genes individuais constituindo o núcleo da manifestação funcional subsequente. O acúmulo em escala micro e nano dessas unidades vivas requer o estudo de seus princípios de empilhamento e inter-relações.
Ao ajustar as relações intercelulares, podemos controlar a estrutura e as funções espaciais tridimensionais, facilitando assim o crescimento do tecido e a regeneração funcional. A marca registrada da impressão 5D é a regeneração funcional de entidades vivas, com a preservação de sua viabilidade sendo primordial.
Portanto, a fabricação de entidades vivas requer o fornecimento de um ambiente de cultivo adequado, incluindo o controle de nutrientes, oxigênio, 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 fundamental estudar os mecanismos e a inovação do processo que permitem que diferentes materiais e estruturas se transformem em vários tecidos e funções em determinados ambientes. As estruturas e funções iniciais da impressão 5D precisam se transformar em funcionalidades finais em ambientes específicos.
Isso requer uma compreensão da relação entre a formação da função e a fabricação do projeto, bem como as leis das mudanças funcionais ao longo do tempo em sistemas multicelulares.
Isso inclui as relações de interconectividade e interações celulares, que, por meio de seus efeitos, constroem funções para liberação de energia (células musculares) ou transmissão de informações (neurônios), fornecendo uma base técnica para o desenvolvimento de dispositivos multifuncionais.
As entidades vivas são organizações funcionais controláveis por informações, semelhantes ao papel dos neurônios em animais e seres humanos. Na impressão 5D, é fundamental explorar quais materiais e estruturas podem substituir as funções neurais, como transmitir corretamente os sinais elétricos ou químicos e como conduzir a formação de várias funcionalidades nos tecidos.
A pesquisa de tecidos neurais e semelhantes ao cérebro ajudará a estabelecer organizações de transmissão de informações com base nas características naturais humanas, avançando ainda mais em direção à inteligência artificial com organização natural semelhante à do cérebro.
A aprendizagem profunda atual em inteligência artificial se baseia em conjecturas de modelos, treinamento de dados, acúmulo de aprendizagem contínua e até mesmo usa algoritmos genéticos biológicos para realizar funções de inteligência artificial, da mesma forma que os aviões substituíram os pássaros.
No futuro, entidades semelhantes a cérebros poderão usar a impressão 5D para implantar chips em órgãos recriados ou artificiais, aprender com a interconectividade aleatória dos neurônios do cérebro humano para criar chips biológicos poderosos ou usar genes para replicar totalmente um cérebro biologicamente ativo.
A coleta de informações, o controle da tomada de decisões e a atuação entre o cérebro artificial, os órgãos originais humanos e vários órgãos artificiais são áreas que aguardam mais pesquisas e inovações.
Na implementação da tecnologia de impressão 5D, é essencial entender os princípios de design e fabricação. Visando órgãos específicos ou dispositivos biológicos, é preciso se envolver em um projeto sistemático de crescimento estrutural e funcional.
Isso envolve a compreensão de como regular as combinações celulares ou genéticas na impressão 5D, como controlar os danos induzidos pelo processo ao organismo vivo durante a impressão e como gerenciar 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 pesquisa que integre o design da unidade de vida, a impressão sem danos e a criação de funções. Isso fornece o suporte técnico necessário para o desenvolvimento de órgãos e dispositivos com propriedades biológicas.
A impressão 5D mudará a fabricação de materiais como madeira, metal e silício para materiais biológicos, fazendo a transição de estruturas imutáveis para dispositivos capazes de regeneração funcional.
Para isso, é fundamental estabelecer técnicas de design e fabricação transformadoras orientadas pela funcionalidade e avançar a tecnologia de fabricação por meio da integração interdisciplinar. O State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing Systems Engineering da Xi'an Jiaotong University realizou explorações promissoras na direção do desenvolvimento da impressão 5D.
O infarto do miocárdio é uma doença grave que representa uma ameaça significativa à saúde humana. Os adesivos cardíacos projetados existentes carecem de propriedades eletrofisiológicas 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 infartado.
Portanto, é necessária uma pesquisa sobre a integração de funções de detecção condutiva nos tecidos cardíacos tradicionais. Isso envolve o uso da tecnologia de impressão 3D micro/nano multimaterial para obter a fabricação integrada e controlável de andaimes cardíacos com sensores condutivos, oferecendo novos meios para explorar a patogênese e o tratamento do infarto do miocárdio.
Essa pesquisa impulsionará a biofabricação da fabricação tradicional de andaimes para o desenvolvimento de andaimes inteligentes de sensoriamento condutivo. Ao simular a estrutura de micro/nanofibras da matriz extracelular cardíaca natural, foi realizada uma pesquisa sobre técnicas de impressão eletrostática multimaterial de fibra condutora composta em micro/submicroescala.
Usando a impressão eletrostática por fusão, foram fabricadas microfibras de poli(caprolactona) (PCL) com um diâmetro de 9,5μm±1,5μm; usando a impressão eletrostática por 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 em sub-microescala PEDOT:PSS-PEO apresentaram excelente condutividade, com uma condutividade de 1,72×103S/m. Empregando um método de acumulação camada por camada, foram criados andaimes compostos multicamadas, que consistem em andaimes de microfibras multicamadas com várias orientações e andaimes condutores em micro/submicroescala, conforme mostrado na Figura 8-17.
O andaime composto de múltiplas camadas 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 em submicroescala PEDOT:PSS-PEO aumentou significativamente a condutividade do andaime.
Além disso, os suportes condutores em micro/submicroescala mantiveram a condutividade estável em um ambiente aquoso, estabelecendo a base para experimentos 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 composto de várias camadas acima mencionado no crescimento orientado e no batimento síncrono de cardiomiócitos primários de ratos. Após oito dias de co-cultivo, observou-se que os cardiomiócitos primários eram capazes de crescer ao longo de fibras de PCL em escala micrométrica e formar redes celulares complexas e orientadas em fibras condutoras de PEDOT:PSS-PEO submicrométricas.
As células também expressaram quantidades substanciais das proteínas específicas do coração α-actinina e CX43. A análise de quantificação de fluorescência revelou que a quantidade dessas proteínas expressas em fibras condutoras submicrômicas de PEDOT:PSS-PEO foi significativamente maior em comparação com as fibras micrômicas de PCL.
Isso demonstra que as fibras condutoras submicrômicas de PEDOT:PSS-PEO aumentaram a condutividade do suporte, melhoraram a transmissão de sinais elétricos intercelulares, a expressão de proteínas e a capacidade de batimento dos cardiomiócitos. Além disso, o design orientado e em camadas do suporte condutor multicamadas facilitou ainda mais o batimento síncrono dos cardiomiócitos primários.
A neurociência é uma das direções mais significativas da pesquisa científica atual e o auge da competição científica entre as nações. Em 2013, o presidente Obama, dos Estados Unidos, anunciou a Iniciativa do Cérebro, que logo foi seguida pela União Europeia e pelo Japão com o lançamento do Projeto Cérebro Humano e do Projeto Cérebro/Mentes, respectivamente.
No "13º Plano Quinquenal" da China, a ciência do cérebro e as pesquisas sobre o cérebro estão em quarto lugar entre os 100 principais projetos. De acordo com a Organização Mundial da Saúde, as doenças cerebrais, como Parkinson, Alzheimer, autismo e depressão, tornaram-se um fardo social maior do que as doenças cardiovasculares e o câncer. Devido à compreensão limitada de sua patogênese, quase todos os casos carecem de tratamentos eficazes.
Na ciência do cérebro e na pesquisa de doenças cerebrais, a falta de doadores de tecido cerebral humano tornou-se um grande gargalo. Os tecidos cerebrais animais não podem representar totalmente as características do cérebro humano; portanto, 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 neurônios no tecido cerebral e sua sinalização são fundamentais para a função cognitiva. A disposição dessas células, seus tipos e densidades nas camadas corticais sustentam as zonas funcionais do córtex cerebral. O progresso 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 do design biomimético e da fabricação precisa dos tipos de neurônios, das estruturas de construção e das combinações de neurônios correspondentes às áreas funcionais visadas. Essa é uma direção inovadora que a impressão 5D de funções biológicas semelhantes às do cérebro deve seguir.
No desenvolvimento de equipamentos para a construção in vitro de tecido semelhante ao cérebro, foi projetado e montado um sistema integrado de impressão/cultura de células. Ele pode imprimir simultaneamente várias células e componentes de matriz, com uma velocidade de cabeçote de impressão de 100 a 1.000 mL/min e uma precisão de movimento da mesa de trabalho X-Y de não mais que 20μm.
Ele pode imprimir camadas de tecido de 100 a 300μm de espessura, mantendo uma temperatura da câmara de impressão de 37°C±1°C. As concentrações de oxigênio e dióxido de carbono são ajustáveis, com desvios de concentração dentro de ±1%, fornecendo uma plataforma de equipamento para impressão in vitro de tecidos semelhantes ao cérebro com várias células, conforme mostrado na Figura 8-18.
Com base no equipamento de impressão existente, os parâmetros do processo de impressão foram otimizados para acomodar os requisitos de impressão de células neuronais, alcançando a preparação de tecidos neurais tridimensionais viáveis que encapsulam células neuronais primárias de ratos com uma viabilidade celular pós-impressão de mais de 94%.
O tecido cerebral natural consiste principalmente em dois tipos de células neurais: neurônios e neuroglia. Utilizando a plataforma mencionada acima, construímos modelos de tecido neuronal puro, tecido misto de neurônios e células gliais e estruturas de tecido complexas com neurônios e células gliais coexistindo em um arranjo espacial tridimensional predefinido.
Essa configuração possibilitou a cocultura de neurônios e células gliais de tecido ativo semelhante ao cérebro in vitro sob várias relações estruturais espaciais. A pesquisa indica que os neurônios, posicionados adjacentes às células gliais, mas estratificados a partir delas, podem apresentar morfologias e expressões bioquímicas que lembram mais os tecidos naturais do cérebro em comparação com os neurônios cultivados isoladamente in vitro.
Esse modelo fornece uma representação mais precisa e uma base de pesquisa para a coexistência de células neurogliais e neurônios a partir de uma perspectiva tridimensional, estabelecendo as bases para os esforços subsequentes da ciência do cérebro e estudos farmacológicos patológicos usando modelos in vitro.
As máquinas existentes são limitadas pela baixa eficiência de conversão de energia e flexibilidade. Os robôs flexíveis multidirecionais bioinspirados, alimentados por células ou tecidos musculares vivos, representam o futuro do maquinário bio-simbiótico com alta eficiência de conversão de energia, segurança intrínseca e movimento ágil. Para isso, são necessárias pesquisas sobre métodos de fabricação de compostos multicelulares/multimateriais para robôs bioinspirados.
Esta pesquisa tem como objetivo fornecer uma abordagem de fabricação rápida, repetível e personalizável, com base nos requisitos funcionais locomotores de robôs semelhantes à vida que integram sistemas biológicos e mecânicos.
① Para o projeto da entidade biológica, desenvolvemos uma microestrutura de andaime com coeficiente de Poisson negativo para cultivar e diferenciar células musculares. Esse projeto aumenta o grau de diferenciação das células musculares e a força de contração do tecido muscular e, ao mesmo tempo, fornece a proteção e os nutrientes necessários para manter a atividade de longo prazo da entidade biológica.
② Com relação à fabricação da entidade biológica, a impressão 3D foi usada para fabricar biocomponentes. Pesquisas experimentais sobre o crescimento e a diferenciação de células musculares esqueléticas revelaram que essas células podem se diferenciar em fibras musculares maduras, estabelecendo a base 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 de múltiplos campos. Foram realizados estudos sobre os mecanismos reguladores de estímulos de enriquecimento ambiental biônico (como estímulos elétricos e mecânicos) sobre o desempenho de condução da entidade biológica.
Com relação ao desempenho de direção de robôs bioinspirados, um modelo cinemático e dinâmico baseado em um sistema mola-amortecedor de segunda ordem foi desenvolvido para o robô. Usando uma plataforma experimental cinemática e dinâmica, foram realizados testes de desempenho de direção do robô. Os resultados mostraram que, sob uma estimulação de pulso de onda quadrada com frequência de 50 Hz e tensão de 1 V, o robô podia se arrastar para frente a uma velocidade de 2 mm/s.
A pesquisa mencionada acima explora as possíveis direções futuras para robôs de corpos vivos.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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