El hueso tiene notables capacidades de regeneración como una de las pocas estructuras en el cuerpo que puede sanar recreando su composición celular normal, orientación y resistencia mecánica hasta un tamaño de defecto crítico, cuando la capacidad de curación endógena se ve comprometida1. El hueso, junto con el cartílago y el ligamento, apoya y facilita el movimiento del cuerpo, al tiempo que almacena minerales y grasas y produce células sanguíneas. Como tejido conectivo duro y denso, el hueso está compuesto principalmente de una fase inorgánica, agua y material orgánico compuesto principalmente de fibras de colágeno2. Las células están incrustadas dentro de esta matriz altamente mineralizada de fibras de colágeno I y cristales de hidroxiapatita (HA), formando una estructura jerárquica3.
La compleja organización de este tejido hace que la fabricación de alternativas sintéticas para replicar los micro y nanoambientes óseos heterogéneossea excepcionalmente desafiante 3. Para este propósito, se han propuesto una variedad de materiales, incluyendo biocerámicas, hidrogeles cargados de células y materiales sintéticos como soluciones para crear matrices óseas. Entre las técnicas de fabricación de andamios, las técnicas basadas en la impresión 3D han surgido recientemente y han recibido mucha atención de la comunidad de ingeniería de tejidos debido a su notable capacidad para permitir la fabricación de estructuras altamente sofisticadas y precisas con una gran promesa de tratamiento específico para el paciente 4,5,6 . Los hidrogeles han sido la opción más popular de imitadores de matrices y biotintas, ya que pueden imprimirse junto con células y moléculas bioactivas, generando construcciones funcionales6. Sin embargo, los hidrogeles carecen de las propiedades funcionales del hueso, como la resistencia mecánica y una fase inorgánica altamente calcificada que contiene células metabólicamente activas.
Los andamios cerámicos impresos en 3D generalmente requieren pasos de posprocesamiento, incluida la sinterización, los tratamientos a alta temperatura o el uso de productos químicos agresivos que deben lavarse a fondo antes de las aplicaciones in vitro o in vivo 5. Para abordar estas limitaciones, Lode et al.7 desarrollaron recientemente una pasta a base de fosfato α-tricálcico formada por hidroxiapatita, que puede imprimirse y fijarse en condiciones fisiológicas. Sin embargo, este material todavía no se puede imprimir junto con células vivas, ya que requiere un tratamiento posterior en un ambiente húmedo y una posterior inmersión en solución acuosa durante un largo período.
Alternativamente, se han propuesto hidrogeles cargados de células con partículas inorgánicas incorporadas como reemplazo de la matriz ósea 3D 8,9. A pesar de su gran capacidad para apoyar la viabilidad celular, no son capaces de recapitular el entorno de tejido óseo densamente mineralizado. Thrivikarman et al.10 adoptaron un enfoque biomimético en el que se utilizó un medio sobresaturado de calcio y fosfato con un análogo de proteína no colágena para imitar mejor la deposición de apatita a nanoescala. Sin embargo, sus construcciones aún no pueden generar construcciones 3D rígidas con una arquitectura a micro y macroescala que se asemeje al hueso.
El presente estudio aborda estas deficiencias a través del desarrollo de una estrategia de impresión para fabricar construcciones que imitan los huesos, en fases inorgánicas y orgánicas, que son capaces de integrar tanto células como factores de crecimiento11. COBICS recapitula de manera única la estructura mineral y celular del hueso utilizando una técnica de bioimpresión basada en microgeles. El protocolo aquí describe el proceso de síntesis de la tinta de hueso cerámico y los microgeles a base de gelatina y luego la combinación de células que permiten COBICS. El proceso comienza con la síntesis del principal material precursor de la tinta de hueso. El hidrogel reticulado se sintetiza y se forma en microgeles. Por último, la tinta ósea se deposita omnidireccionalmente en un baño de soporte de los microgeles cargados de células (Figura 1).
La tinta de hueso puede imprimirse en cualquier suspensión de microgeles que tengan las características apropiadas de tensión de fluencia, es decir, la capacidad de fluidificar a una velocidad de cizallamiento específica y posteriormente soportar la estructura depositada. Se han demostrado dos enfoques flexibles: una suspensión que consiste en microgeles de gelatina y una suspensión que consiste en microgeles de metacrilato de gelatina (GelMA). La primera suspensión se disuelve cuando la temperatura se eleva a 37 °C, la técnica de incrustación reversible de hidrogeles suspendidos (FRESH) de forma libre12, mientras que la segunda puede ser reticulada después de la impresión, "cosiendo" efectivamente los microgeles juntos y bloqueando la tinta de hueso impresa en su lugar. El presente estudio se centra en el uso de GelMA como matriz, ya que proporciona la ventaja única de poder apoyar el crecimiento celular con la impresión in situ de estructuras miméticas óseas complejas. En última instancia, este enfoque permite la generación de modelos de tejidos complejos con altos niveles de biomímesis y amplias implicaciones para el modelado de enfermedades, el descubrimiento de fármacos y la ingeniería regenerativa.

Figura 1: Esquema del flujo de trabajo . (A) La tinta ósea se sintetiza a partir de la síntesis de fosfato α-tricálcico y su posterior combinación con glicerol, polisorbato 80 y fosfato de amonio dibásico. (B) Los microgeles GelMA se fabrican mediante el método de emulsión de agua en aceite. Los microgeles obtenidos son entonces (C) hidratados y (D) combinados con células. Los compuestos de microgel celular se utilizan como un baño granular en el que se deposita la tinta ósea. (E) Todo el constructo se reticula a los rayos UV y se transfiere a la incubadora para su cultivo. Abreviaturas: α-TCP = fosfato α-tricálcico; GelMA = metacrilato de gelatina. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.