1. Introducción
El campo de la bioimpresión 3D ha experimentado enormes avances en la última década, presentando nuevas oportunidades en la ingeniería de tejidos, la medicina regenerativa e incluso la fabricación de órganos. Como técnica que implica la estratificación precisa de materiales biológicos, la bioimpresión 3D permite la creación de estructuras tisulares complejas que imitan la arquitectura y la función de los tejidos naturales. Sin embargo, el éxito de esta tecnología depende en gran medida de la compatibilidad de los materiales y procesos utilizados, especialmente cuando se trata de biotintas cargadas con células vivas. Las biotintas no solo deben ser biocompatibles, sino también tener las propiedades mecánicas necesarias para favorecer el crecimiento tisular, a la vez que se pueden imprimir.
Uno de los enfoques más prometedores dentro de la bioimpresión 3D es la bioimpresión basada en luz, donde se emplea energía lumínica para solidificar biotintas líquidas en estructuras tisulares funcionales. La bioimpresión basada en luz ofrece mayor velocidad y precisión que otras técnicas, como la extrusión o la bioimpresión por inyección de tinta, que se basan en fuerzas mecánicas. Sin embargo, el uso de fuentes de luz ultravioleta (UV) y violeta en estos procesos plantea desafíos en términos de citocompatibilidad, ya que la exposición a la luz UV puede dañar las células y el ADN, lo que reduce la viabilidad celular.
Para superar esto, el desarrollo de nuevos fotoiniciadores y biotintas que puedan activarse mediante fuentes de luz visible más seguras, como la luz verde o roja, se ha convertido en un foco de investigación. Este ensayo explora los últimos avances en bioimpresión 3D mediante fotoiniciadores de bioseguridad, con énfasis en el uso de fuentes de luz verde-roja para la reticulación de hidrogeles y la encapsulación celular exitosa. También analizaremos las implicaciones de estos avances para la ingeniería de tejidos y el futuro de las tecnologías de bioimpresión.
2. El papel de la bioimpresión 3D basada en luz en la fabricación de tejidos
La bioimpresión 3D se ha convertido rápidamente en uno de los métodos más emocionantes y versátiles para crear estructuras biológicamente relevantes. Su capacidad para diseñar geometrías de tejidos complejos con alta precisión la convierte en una herramienta invaluable en áreas como las pruebas de fármacos, la medicina personalizada y la posible creación de órganos trasplantables. La bioimpresión 3D basada en luz, en particular, ofrece varias ventajas sobre otros métodos gracias a su capacidad para curar y solidificar rápidamente las biotintas mediante luz, lo que permite la fabricación a alta velocidad de estructuras detalladas.
En la bioimpresión basada en luz, las biotintas fotocurables que contienen células y biomateriales se someten a dosis controladas de luz, lo que desencadena reacciones de reticulación en su interior. Esto da como resultado la formación de estructuras de hidrogel tridimensionales estables que pueden encapsular células vivas en una matriz biocompatible. Uno de los materiales más utilizados en este contexto es el metacrilato de gelatina (GelMA), un derivado de la gelatina natural que puede fotorreticularse para formar hidrogeles.
Si bien la bioimpresión 3D basada en luz ofrece ventajas únicas, como una resolución de impresión superior y un mejor control espacial, la citotoxicidad de la luz UV y violeta plantea un desafío significativo. Se ha demostrado que la exposición a la luz UV induce daño al ADN y apoptosis en las células, lo que afecta la viabilidad de las construcciones de tejido impresas. Por lo tanto, existe un creciente interés en el desarrollo de sistemas de bioimpresión basados en luz visible que puedan ofrecer el mismo nivel de precisión y minimizar el daño celular.
3. Desafíos en la bioimpresión basada en luz ultravioleta
La luz UV y la luz violeta se han utilizado tradicionalmente en la bioimpresión 3D basada en luz porque permiten una reticulación rápida y eficiente de las biotintas fotorreactivas. Los fotoiniciadores, como TPO-L, fenil(2,4,6-trimetilbenzoil)fosfinato de litio (LAP) e Irgacure 2959, se utilizan comúnmente en combinación con la luz UV para desencadenar la polimerización por radicales libres, lo que resulta en la rápida formación de hidrogeles. Los rápidos tiempos de curado que proporciona la luz UV son especialmente ventajosos en aplicaciones que requieren alta precisión y geometrías complejas, como en la creación de estructuras vasculares.
Sin embargo, a pesar de estas ventajas, el uso de la luz UV presenta importantes inconvenientes. Se sabe que la luz UV es perjudicial para las células vivas, causando estrés oxidativo, daño al ADN y otros efectos perjudiciales que pueden comprometer la viabilidad celular. Como resultado, los tejidos impresos con biotintas curadas con luz UV pueden sufrir una reducción de su funcionalidad e integridad estructural, especialmente en aplicaciones a largo plazo como la terapia regenerativa o los injertos de tejidos.
Para mitigar los efectos citotóxicos de la luz UV, los investigadores han explorado métodos alternativos para el fotocurado de biotintas. Un enfoque prometedor consiste en ampliar la longitud de onda de la luz utilizada en la bioimpresión para incluir luz visible (400-780 nm) e infrarroja cercana (NIR) (λ ≥ 780 nm), que son menos dañinas para las células. Mediante el uso de estas fuentes de luz más suaves, es posible lograr un fotocurado con menor daño celular, mejorando así la viabilidad y funcionalidad general de los tejidos impresos.
4. Fotopolimerización con luz visible para citocompatibilidad
La transición de la luz UV a la luz visible para la bioimpresión presenta varios desafíos, en particular en lo que respecta al desarrollo de nuevos fotoiniciadores compatibles con la luz visible. Los fotoiniciadores tradicionales, como Irgacure 2959, están optimizados para longitudes de onda UV y no son eficaces bajo luz visible. Para abordar este problema, los investigadores han desarrollado fotosistemas multicomponentes que funcionan mediante un mecanismo de reacción de tipo II, que implica un colorante fotosensibilizante y una molécula coiniciadora. Estos sistemas facilitan el fotocurado rápido bajo luz visible al permitir procesos de transferencia de electrones fotoinducida (PET) entre el colorante y el coiniciador.
Los recientes avances en el desarrollo de fotoiniciadores de luz visible han abierto nuevas posibilidades para la bioimpresión con una citocompatibilidad mejorada. Por ejemplo, Lynn et al. emplearon con éxito un sensibilizador de infrarrojo cercano (H-Nu 815) para la bioimpresión mediante procesamiento digital de luz (DLP), logrando estructuras de alta resolución con mínimo daño celular. De igual manera, se han utilizado partículas de conversión ascendente para permitir el fotocurado con luz NIR, ofreciendo una alternativa a los sistemas tradicionales basados en UV.
A pesar de estos avances, el desarrollo de fotoiniciadores de luz visible sigue siendo un campo relativamente incipiente, y muchas de las opciones disponibles presentan una citocompatibilidad deficiente. Además, la variedad de iniciadores activados por luz visible aún es limitada, lo que dificulta alcanzar el mismo nivel de rendimiento que los sistemas basados en UV. En consecuencia, existe una necesidad apremiante de desarrollar nuevos fotoiniciadores que puedan operar bajo luz visible manteniendo altos niveles de viabilidad celular.
5. Nuevos fotoiniciadores para la reticulación de LED verde-rojo
Para abordar las limitaciones de los fotoiniciadores existentes, los investigadores se han centrado en el diseño de nuevos fotoiniciadores que puedan activarse mediante fuentes de luz LED de verde a rojo. La luz verde y roja, que se encuentran dentro del espectro visible, ofrecen la ventaja de ser menos dañinas para las células que la luz UV o violeta, lo que las hace ideales para aplicaciones que implican la encapsulación de células vivas.
En este estudio, se sintetizaron cuatro fotoiniciadores basados en colorantes de cianina (CZBIN, TDPABIN, Col-SH-CZ y Col-SH-TD) y se evaluó su potencial en el fotocurado LED de verde a rojo. Estos iniciadores se diseñaron para una alta absorción en el rango de 400 a 600 nm, lo que los hace adecuados para su uso con fuentes de luz verde y roja. Los dos colorantes macromoléculas basados en colágeno, Col-SH-CZ y Col-SH-TD, demostraron una excelente citocompatibilidad, lo que los hace especialmente adecuados para biotintas con carga celular.
Al incorporarse en hidrogeles GelMA, estos novedosos fotoiniciadores facilitaron una reticulación eficiente bajo luz verde y roja. Cabe destacar que el proceso de reticulación demostró tener un impacto mínimo en la viabilidad celular, ya que las células L929 encapsuladas en los hidrogeles alcanzaron una tasa de viabilidad del 90 % tras la exposición a la luz verde. Esto representa una mejora significativa con respecto a los sistemas tradicionales basados en luz UV, que a menudo resultan en una menor viabilidad celular debido a los efectos citotóxicos de la luz UV.
El éxito de estos novedosos fotoiniciadores al permitir la encapsulación celular bajo luz verde y roja destaca su potencial para una amplia gama de aplicaciones de bioimpresión. No solo ofrecen una citocompatibilidad mejorada, sino que también permiten una mayor flexibilidad en la elección de las fuentes de luz, lo que los convierte en una valiosa incorporación a las herramientas de la bioimpresión 3D.
6. Aplicaciones y direcciones futuras
El desarrollo de fotoiniciadores de bioseguridad para la reticulación LED de verde a rojo abre nuevas posibilidades para el futuro de la bioimpresión 3D. Al reducir la citotoxicidad asociada a la luz UV, estos nuevos fotoiniciadores permiten la fabricación de estructuras tisulares más funcionales y biocompatibles, que pueden utilizarse en diversas aplicaciones, desde el análisis de fármacos hasta los injertos de tejido personalizados.
Una de las aplicaciones más prometedoras de estas tecnologías se encuentra en el campo de la medicina regenerativa, donde los tejidos bioimpresos podrían utilizarse para reparar o reemplazar órganos dañados. La capacidad de imprimir tejidos con alta viabilidad celular es crucial en este contexto, ya que el éxito a largo plazo del injerto depende de la salud y la funcionalidad de las células dentro del tejido impreso. El uso de fotoiniciadores de luz visible también podría facilitar la incorporación de biomateriales más complejos en las biotintas, mejorando aún más la funcionalidad de los tejidos impresos.
De cara al futuro, existe la posibilidad de ampliar la gama de fotoiniciadores de luz visible disponibles para la bioimpresión 3D. Los investigadores ya están explorando el uso de productos naturales, como los curcuminoides y los flavonoides, como fotoiniciadores para la bioimpresión basada en luz visible. Estos compuestos, derivados de fuentes naturales, ofrecen la doble ventaja de ser biocompatibles y poseer fuertes propiedades de absorción de luz en el rango azul-verde. Por ejemplo, se ha demostrado que los curcuminoides facilitan la polimerización por radicales libres bajo luz LED azul-verde, lo que los convierte en candidatos prometedores para futuras biotintas.
Además, los avances en los sistemas de fotoiniciación sensibilizados con colorantes, donde los colorantes naturales o sintéticos actúan como principales absorbentes de luz, podrían ampliar aún más el rango de longitudes de onda utilizables. Estos sistemas, que funcionan mediante mecanismos de transferencia de electrones fotoinducida (PET), ofrecen flexibilidad en la elección de fuentes de luz y podrían permitir el uso de luz roja lejana o infrarroja cercana para la bioimpresión. Esto sería especialmente ventajoso para aplicaciones que requieren una mayor penetración en los tejidos, ya que las longitudes de onda de luz más largas son menos propensas a la dispersión y absorción por los tejidos biológicos.
Otra prometedora línea de investigación futura reside en el desarrollo de sistemas híbridos de fotoiniciación que combinen fotoiniciadores de luz visible con otras técnicas de polimerización, como la reticulación térmica o química. Al integrar múltiples mecanismos de reticulación en una única biotinta, se podría lograr un mayor control sobre las propiedades mecánicas y la compatibilidad biológica de los tejidos impresos. Estos sistemas híbridos también podrían permitir la bioimpresión a múltiples escalas, permitiendo la fabricación simultánea de micro y macroestructuras dentro de una misma construcción tisular.
7. Conclusión
La bioimpresión 3D representa un avance revolucionario en la ingeniería de tejidos, con el potencial de transformar campos como la medicina regenerativa, la atención médica personalizada y el análisis de fármacos. Sin embargo, el éxito de las tecnologías de bioimpresión depende en gran medida del desarrollo de biotintas y fotoiniciadores biocompatibles y eficientes para crear estructuras tisulares estables y funcionales. La bioimpresión 3D basada en luz, en particular, ofrece ventajas significativas en términos de precisión y velocidad, pero la dependencia de la luz UV y violeta plantea serios desafíos para la citocompatibilidad.
La introducción de fotoiniciadores de luz verde-roja, como los analizados en este estudio, representa un avance crucial para superar estos desafíos. Estos novedosos fotoiniciadores, diseñados para absorber en el espectro visible, permiten la reticulación segura y eficiente de hidrogeles en presencia de células vivas. Su alta citocompatibilidad y su excelente rendimiento bajo luz LED verde y roja ofrecen perspectivas prometedoras para una amplia gama de aplicaciones de bioimpresión, desde andamiajes tisulares hasta organoides.
La investigación futura en esta área debería continuar explorando nuevas clases de fotoiniciadores, incluyendo compuestos derivados de productos naturales y sistemas híbridos que combinan múltiples mecanismos de reticulación. Al ampliar el rango de longitudes de onda utilizables y mejorar la funcionalidad de las biotintas, estas innovaciones podrían impulsar significativamente el campo de la bioimpresión 3D y acercarnos a la creación de tejidos y órganos bioimpresos completamente funcionales.
En resumen, el desarrollo de fotoiniciadores de bioseguridad para la reticulación de luz verde-roja en la bioimpresión 3D supone un cambio radical para la ingeniería de tejidos. Ofrece la doble ventaja de mantener una alta viabilidad celular a la vez que permite la fabricación precisa, mediante luz, de estructuras tisulares complejas. A medida que avanza la investigación y se introducen nuevos materiales, el futuro de la bioimpresión 3D se presenta cada vez más prometedor, con el potencial de revolucionar la medicina y crear posibilidades sin precedentes para la reparación y regeneración de tejidos.
