O osso tem notáveis habilidades de regeneração como uma das poucas estruturas do corpo que podem cicatrizar recriando sua composição celular normal, orientação e força mecânica até um tamanho de defeito crítico, quando a capacidade de cicatrização endógena é comprometida1. O osso, juntamente com a cartilagem e o ligamento, suporta e facilita o movimento do corpo, além de armazenar minerais e gorduras e produzir células sanguíneas. Como um tecido conjuntivo duro e denso, o osso é composto principalmente de uma fase inorgânica, água e material orgânico composto principalmente de fibras colágenas2. As células estão embutidas dentro dessa matriz altamente mineralizada de fibras colágenas I e cristais de hidroxiapatita (HA), formando uma estrutura hierárquica3.
A complexa organização desse tecido torna a fabricação de alternativas sintéticas para replicar os heterogêneos micro e nanoambientes ósseos excepcionalmente desafiadores3. Para este propósito, uma variedade de materiais, incluindo biocerâmica, hidrogéis carregados de células e materiais sintéticos foram propostos como soluções para criar matrizes ósseas. Entre as técnicas de fabricação de andaimes, as técnicas baseadas em impressão 3D surgiram recentemente e receberam muita atenção da comunidade de engenharia de tecidos devido à sua notável capacidade de permitir a fabricação de estruturas altamente sofisticadas e precisas com grande promessa de tratamento específico do paciente 4,5,6 . Os hidrogéis têm sido a escolha mais popular de mímicos de matriz e biotintas, uma vez que podem ser impressos em conjunto com células e moléculas bioativas, gerando construtos funcionais6. No entanto, os hidrogéis não possuem as propriedades funcionais do osso, como resistência mecânica e uma fase inorgânica altamente calcificada contendo células metabolicamente ativas.
Os andaimes cerâmicos impressos em 3D normalmente requerem etapas de pós-processamento, incluindo sinterização, tratamentos a alta temperatura ou o uso de produtos químicos agressivos que devem ser cuidadosamente lavados antes de aplicações in vitro ou in vivo 5. Para abordar essas limitações, Lode et al.7 desenvolveram recentemente uma pasta à base de fosfato α-tricálcico formada por hidroxiapatita, que pode ser impressa e ajustada em condições fisiológicas. No entanto, este material ainda não pode ser impresso em conjunto com células vivas, pois requer pós-tratamento em um ambiente úmido e subsequente imersão em solução aquosa por um longo período.
Alternativamente, hidrogéis carregados de células com partículas inorgânicas incorporadas têm sido propostos como substitutos da matriz óssea 3D 8,9. Apesar de sua grande capacidade de suportar a viabilidade celular, eles não são capazes de recapitular o ambiente de tecido ósseo densamente mineralizado. Thrivikarman et al.10 adotaram uma abordagem biomimética na qual um meio supersaturado de cálcio e fosfato foi utilizado com um análogo proteico não colagenoso para melhor mimetizar a deposição de apatita em nanoescala. No entanto, suas construções ainda não podem gerar construções 3D rígidas com arquitetura de micro e macroescala semelhante a ossos.
O presente estudo aborda essas deficiências por meio do desenvolvimento de uma estratégia de impressão para fabricar construtos que imitam ossos, em fases inorgânica e orgânica, que sejam capazes de integrar tanto células quanto fatores de crescimento11. O COBICS recapitula exclusivamente a estrutura mineral e celular do osso usando uma técnica de bioimpressão baseada em microgel. O protocolo aqui descrito descreve o processo de síntese dos microgéis cerâmicos à base de tinta óssea e gelatina e, em seguida, a combinação de células que permitem o COBICS. O processo começa com a síntese do principal material precursor da tinta óssea. O hidrogel reticulável é então sintetizado e formado em microgéis. Por fim, a tinta óssea é depositada omnidirecionalmente em um banho de suporte dos microgéis carregados de células (Figura 1).
A tinta óssea pode ser impressa em qualquer suspensão de microgéis que tenham as características apropriadas de tensão de rendimento, ou seja, a capacidade de fluidizar a uma taxa de cisalhamento específica e, posteriormente, apoiar a estrutura depositada. Foram demonstradas duas abordagens flexíveis: uma suspensão constituída por microgéis de gelatina e uma suspensão constituída por microgéis de metacrilato de gelatina (GelMA). A primeira suspensão dissolve-se quando a temperatura é elevada para 37 °C, a forma livre de incorporação reversível de hidrogéis suspensos (FRESH) técnica12, enquanto a última pode ser fotoreticulada após a impressão, efetivamente "costurando" os microgéis juntos e travando a tinta óssea impressa no lugar. O presente estudo se concentra no uso de GelMA como matriz, pois fornece a vantagem única de ser capaz de suportar o crescimento celular com impressão in situ de estruturas miméticas ósseas complexas. Em última análise, essa abordagem permite a geração de modelos de tecidos complexos com altos níveis de biomimética e amplas implicações para a modelagem de doenças, descoberta de medicamentos e engenharia regenerativa.

Figura 1: Esquema do fluxo de trabalho . (A) A tinta óssea é sintetizada a partir da síntese de fosfato α-tricálcico e sua subsequente combinação com glicerol, polissorbato 80 e fosfato de amônio dibásico. (B) Os microgéis GelMA são fabricados pelo método de emulsão de água em óleo. Os microgéis obtidos são então (C) hidratados e (D) combinados com células. Os compósitos de célula-microgel são então usados como um banho granular no qual a tinta óssea é depositada. (E) Toda a construção é então reticulada por UV e transferida para a incubadora para cultura. Abreviaturas: α-TCP = fosfato α-tricálcico; GelMA = metacrilato de gelatina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.