La reconstrucción esquelética es necesaria en casos de defectos óseos creados por tumores, traumas y anomalías esqueléticas. Sin embargo, la regeneración de defectos óseos sigue siendo uno de los problemas más importantes a nivel mundial porque los enfoques actuales se basan en la regeneración utilizando andamios que no son colonizados en su totalidad o solo en 2D. Recientemente; los esferoides han tomado relevancia por ser un sistema de cultivo 3D simple ya que no se requieren andamios para el crecimiento celular. La utilización de esferoides como microtejidos, se ha convertido en una opción atractiva en la ingeniería de tejidos para entender las interacciones celulares como para las tecnologías de bioimpresión. En este sentido el desarrollo de esferoides se ha basado en diferentes técnicas como biorreactores con perlas para atraer a las células; las placas de baja adherencia, el método de gota colgante; donde ambas técnicas dependen de la agregación por sedimentación; y el ultimo método es la utilización de nanopartículas magnéticas (NPM), donde se crea un complejo celular 3D debido a que la membrana celular se une a las NPM para volverlas magnéticas, y facilitar la agregación celular utilizando un magneto de neodimio para formar el esferoide, método de cultivo llamado de levitación magnética. Sin embargo, estos sistemas tienen la desventaja de obtener esferoides de diversos tamaños que imposibilita el empleo de la bioimpresión. Por lo cual, la tecnología de formación de microgotas surge como una plataforma innovadora de alto rendimiento, que podría aportar nuevas estrategias a la generación de esferoides celulares con una estructura y tamaño deseado. Considerando que los esferoides asemejan la estructura tridimensional de los tejidos in vivo, permitiendo interacciones célula-célula, y célula-MEC lo más similar a lo que sucede durante el desarrollo de un tejido. A lo largo de las últimas décadas, la ingeniería de tejidos está buscando desarrollar nuevos métodos que permitan a las tecnologías de bioimpresión 3D el empleo de complejos celulares como estrategia prometedora para la impresión de órganos artificiales en la medicina regenerativa. Es por ello, que la bioimpresión 3D empleada varió desde la microextrusión, inyección de tinta, asistida por láser hasta la tecnología más nuevas, como la basada en bloques de esferoides. Sin embargo; aun la aplicación del desarrollo de bioimpresiones 3D para el entendimiento del microambiente y la diferenciación celular de complejos de esferoides de tamaño similar hacia tejidos mineralizados no ha sido estudiada a profundidad, y aún es una incógnita. Por lo tanto, la combinación del método de cultivo en levitación magnética en conjunto con la formación de microgotas nos permitirá entender cómo se lleva a cabo la formación de esferoides con tamaños homogéneos para poder proponer nuevas plataformas y métodos que ayuden en la regeneración ósea, y en el tratamiento de enfermedades degenerativas que afectan al sistema estructural óseo por medio de la utilización de bioimpresiones 3D. En este contexto, el presente proyecto se articulará en tres fases operativas: La primera fase se enfocará a la síntesis y caracterización de la homogeneidad de la formación de los esferoides usando como base el cultivo en levitación magnética en combinación con la fabricación de microgotas generadas utilizando biopolímeros como la gelatina y/o alginato (biopolímero-esferoide-biopolímero) y el tiempo que permanece viable en cultivo celular hasta 21 días. La segunda fase se enfocará en evaluar el efecto de diferentes tamaños de esferoides en la bioimpresión de microtejidos 3D y establecer el microambiente controlado para su diferenciación hacia tejido mineralizados. La tercera fase analizara el efecto de la geometría de las bioimpresiones 3D en la diferenciación celular con la caracterización del de tejido mineral ex novo. Por último; se espera la formación de recursos humanos a nivel de licenciatura, maestría y doctorado y de al menos 3 publicaciones.
La contribución de esta propuesta de investigación radica en que, en la ingeniería de tejidos, con los años la lista de requisitos para la búsqueda de regenerar tejidos ha cambiado sustancialmente. Las especificaciones deseadas para los materiales con aplicaciones en medicina regenerativa han evolucionado a partir de ser considerados bioinertes, no degradable y no inmunogénico para buscar materiales bioactivos, biodegradables e inmunomoduladores. Recientemente con las técnicas de biofabricación 3D a escala nanométrica y micrométrica se han impuesto un conjunto adicional de requisitos. Estas dependen de la técnica empleada por ejemplo el tipo de extrusión y del trazado 3D, la cinética de gelificación-solidificación que influyen en la fidelidad de la forma 3D; y las propiedades mecánicas de las geometrías 3D. Asimismo, el desarrollo de biotintas ha llevado a un rápido progreso del campo de la biofabricación 3D abriendo oportunidades y retos asociados a la búsqueda de biopolímeros específicos para el diseño de estructuras celulares en 3D. Esto ha llevado a lograr impresiones de varios tipos celulares con diversas aplicaciones como angiogénesis, osteogenesis, páncreas, modelos de cáncer para descubrir nuevos fármacos, entre otras. Sin embargo, los requisitos se han incrementado en la biofabricación ya que se busca la utilización de esferoides para el ensamblaje y fabricación de microtejidos en 3D en un entorno libre de andamios. Por ello, en este proyecto proponemos incursionar en la tecnología de biofabricación como método para la obtención de microtejidos ideales para la regeneración del tejido óseo. Principalmente, por desarrollar la formación de esferoides por la técnica de cultivo en levitación magnética en combinación con la formación de microgotas que nos permita obtener esferoides homogéneos en tamaño que nos permita la extrusión y trazado de microtejidos 3D con propiedades morfológicas que biomimeticen la microarquitectura de la MEC en procesos de regeneración de tejidos mineralizados. Asimismo, con la optimización de la biofabricación utilizando esferoides homogéneos en tamaño se pretende entender como la compartamentalización por las microgotas en cuanto a morfología, geometría y estructura puede llevar a ensamblar diversas geometrías capaces de influenciar el ambiente y la diferenciación celular de los esferoides derivados de osteoblastos fetales y contribuir a contestar preguntas relacionadas al tema de bioimpresiones 3D ¿Cuáles son las condiciones que permiten posicionar esferoides sobre el proceso del ensamblaje de un microtejido? ¿Qué efecto tienen los ensamblajes de esferoides homogéneos en la creación de tejidos biohíbridos? ¿Qué efecto tendrán los microtejidos ensamblados respecto a la viabilidad y diferenciación celular? ¿Cómo será el tejido mineral formado en los microtejidos bioimpreso como futa estrategia para apoyar la regeneración ósea?; se reflejará en la contribución del conocimiento de una tecnología de vanguardia y la apertura de nuevas líneas de investigación disponible en el país de las disciplinas involucradas en el proyecto (nanomateriales, ingeniería de tejidos, técnicas de biofabricación 3D); que se darán a conocer por medio de al menos tres publicaciones en revistas científicas y en congresos nacionales e internacionales. Además de una contribución importante de este proyecto es la formación de recursos humanos por lo cual se involucran alumnos de licenciatura, maestría y doctorado que obtendrán sus respectivos grados durante el desarrollo de este proyecto.