Otimizando a viabilidade celular em gotículas

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 11304 (2015) Citar este artigo

6455 Acessos

80 citações

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

A biofabricação comumente envolve o uso de gotículas líquidas para transportar células para a estrutura impressa. No entanto, a viabilidade das células após o impacto é mal controlada e compreendida, dificultando aplicações que incluem pulverização celular, bioimpressão a jato de tinta e transferência celular assistida por laser. Aqui, apresentamos um modelo analítico que descreve a viabilidade celular após o impacto em função das características das gotículas ao redor da célula. O modelo conecta (1) a sobrevivência celular em função do alongamento da membrana celular, (2) o alongamento da membrana em função do tamanho e velocidade das gotículas contendo células e (3) as propriedades do substrato. O modelo é validado por medidas de viabilidade celular em pulverização celular, método de biofabricação utilizado no tratamento de queimaduras. Os resultados permitem a otimização racional de qualquer tecnologia de deposição celular baseada em gotículas e incluímos sugestões práticas para melhorar a viabilidade celular na pulverização celular.

A deposição celular baseada em gotículas está recebendo cada vez mais atenção como uma ferramenta para construir ou preencher uma variedade de tecidos biológicos. Exemplos marcantes são o tratamento de queimaduras1,2 ou úlceras3 com spray celular, que proporcionam uma cicatrização mais rápida e melhorada e estão atualmente introduzidos na prática clínica. Com uma aplicação bem-sucedida implementada, procuramos expandir para outras áreas clínicas, incluindo procedimentos laparoscópicos, endoscópicos e artroscópicos4. Isto abre a possibilidade de terapia celular minimamente invasiva para regeneração tecidual. Um segundo exemplo é a fabricação de substitutos de tecidos funcionais em laboratório, para permitir a cura de tecidos não funcionais5,6,7. Nas atuais tecnologias de biofabricação, incluindo bioimpressão a jato de tinta8,9,10, transferência direta induzida por laser11, bioimpressão baseada em válvula12,13 e pulverização celular2,14,15,16,17, o transporte celular da suspensão celular inicial, denominado “bio -ink”, ao tecido fabricado é obtido pela ejeção e deposição de gotículas líquidas. Embora essas tecnologias permitam a deposição de células de alta viabilidade, o rendimento limitado, a precisão limitada e as biotintas contendo células mal otimizadas são os principais obstáculos na deposição controlada de células, como as necessárias para a fabricação de tecidos funcionais .

Para resolver esses problemas e, assim, otimizar a deposição celular baseada em gotículas, o conhecimento da viabilidade celular em função do tamanho das gotículas contendo células e da velocidade de impacto é crucial. Idealmente, impactos únicos e altamente reprodutíveis de gotículas contendo uma única célula seriam monitorados para uma grande variedade de parâmetros de impacto (tamanho de gotícula, velocidade e propriedades do material). Os sistemas de queda sob demanda fornecem gotículas altamente reprodutíveis, mas geralmente o espaço de parâmetros de impacto é relativamente estreito para os líquidos contendo células utilizados . Portanto, para estudar a viabilidade celular pós-impacto, utilizamos a deposição por spray celular, o que permite uma gama muito maior de parâmetros de impacto. A influência substancial dos parâmetros de pulverização na viabilidade celular pós-impacto sugere que a viabilidade celular pode ser controlada, fornecendo um sistema modelo para avaliar a sobrevivência celular após o impacto. Além disso, a tensão de cisalhamento exercida na célula dentro do bico de pulverização é muito menor do que a tensão de cisalhamento durante o impacto, o que permite avaliar apenas o processo de impacto (para outras tecnologias este não é o caso, conforme explicado na seção suplementar I).

O presente trabalho visa compreender a influência do impacto das gotículas na viabilidade celular, que é aplicável tanto às tecnologias de gota sob demanda quanto de deposição por pulverização. Introduzimos um modelo que descreve a viabilidade celular em função do tamanho da gota contendo a célula, da viscosidade e da velocidade de impacto. O modelo é validado por experimentos de spray celular, seguindo uma abordagem em duas etapas. Primeiro, o tamanho da gota e a velocidade de impacto são medidos e usados ​​para obter previsões do modelo conforme descrito. Posteriormente, a viabilidade celular após a pulverização é medida em função da pressão do ar, da viscosidade do líquido, da distância bocal-substrato e da rigidez do substrato. O modelo descreve com precisão as medições de viabilidade em função dos parâmetros de entrada. Esses resultados fornecem uma ferramenta poderosa para avaliar e melhorar racionalmente tratamentos clínicos de pulverização e aplicações de engenharia de tecidos.