Investigadores del Ibec ‘bioimprimen’ en 3D tejido muscular vivo para robots

El grupo de Nanodispositivos inteligentes, expertos en micro y nanorrobots en el Ibec, ha conseguido crear robots híbridos en los que se ha combinado material sintético con tejido muscular vivo generado a partir de la bioimpresión 3D.

Estos dispositivos robóticos blandos, creados con tejido biológico y de tamaño milimétrico, debido a su naturaleza ofrecen muchas ventajas –en términos de movimiento y rendimiento– respecto a los sistemas actuales que utilizan únicamente materiales artificiales.

“La robótica con dispositivos blandos de inspiración biológica es una nueva disciplina que puede ayudarnos a superar las limitaciones de los sistemas robóticos convencionales, como por ejemplo la flexibilidad, la capacidad de reacción o la adaptabilidad”, comenta Samuel Sánchez, investigador principal en el Ibec i profesor de investigación Icrea.

“Estamos explorando el potencial de la bioimpresión 3D para fabricar versiones mejoradas e híbridas que contengan tejido muscular real, aprovechando su rapidez, la capacidad de diseño, de forma y la posibilidad de personalizar los materiales con los que se puede imprimir, así como la escalabilidad”, añade.

Bioimpresión 3D de bioactuadores. A) Representación esquemática del enfoque de la bioimpresión en 3D. Los mioblastos de ratón C2C12 fueron encapsulados en una mezcla de hidrogel a base de fibrinógeno, gelatina y ácido hialurónico (HA). B) Cronología del proceso de diferenciación y expresión de los genes marcadores. C) Instantáneas y resultados finales de un proceso de bio-impresión en 3D de bio-actuadores con diseños sencillos. D) Instantáneas y resultados de alto rendimiento de la impresión multi-material de bio-actuadores utilizados como plataforma de medición de fuerza. E) Viabilidad de bioactuadores bioimpresos en 3D con y sin postes PDMS. F) Índice de fusión (FI) e índice de maduración (MI) del tejido bioimpreso en 3D. G) Tinciones de MyHCII (verde) y núcleos (azul) después de aplicar la estimulación de pulso eléctrico (EPS) durante 2 h. Barra de escala, 20 µm. Imagen extraída de ‘Force Modulation and Adaptability of 3D-Bioprinted Biological Actuators Based on Skeletal Muscle Tissue’. Rafael Mestre, Tania Patiño, Xavier Barceló, Shivesh Anand, Ariadna Pérez-Jiménez, Samuel Sánchez.

El grupo de investigación utilizó la bioimpresión 3D para crear el tejido muscular partiendo de la creación de miotubos altamente alienados, es decir, de las fibras multinucleadas necesarias para el funcionamiento muscular que se utiliza para la actuación de los bioactuadores del robot. Y después calibraron su fuerza utilizando una plataforma de medida y estudiaron su expresión genética para evaluar su adaptabilidad a los ejercicios de entrenamiento.

“Hemos visto que son funcionales y sensibles y que las fuerzas que generan pueden modularse en función de las diferentes necesidades”, comenta Tania Patiño, investigadora postdoctoral Juan de la Cierva y primera autora del artículo publicado en la revista Advanced Materials Technologies. “Ahora sabemos mucho más sobre los mecanismos básicos que hay detrás de la adaptabilidad de los bioactuadores musculares y el éxito de la bioimpresión 3D como método rápido y rentable para fabricarlos. Con nuestro sistema, esperamos que se pueda avanzar en estudios básicos de tejido muscular, en campos como el de la robótica blanda, o se pueda utilizar como plataforma de testeo de fármacos para entender cómo afectan a las contracciones del músculo, lo que podría ser muy interesante para la industria farmacéutica”.

“Hemos demostrado que esta integración de sistemas biológicos en dispositivos robóticos les proporciona capacidades adquiridas de los sistemas naturales y que podemos entrenarlos como un músculo real para ajustar su rendimiento según las necesidades”, añade Rafael Mestre, estudiante de doctorado con una beca La Caixa-Severo Ochoa en el Ibec y coprimer autor del artículo. “Este trabajo servirá para obtener en el futuro robots híbridos fabricados con tejido biológico real y muchas características imposibles de obtener con la robótica clásica rígida”, añade Samuel Sánchez

Rafael Mestre, Tania Patiño, Xavier Barceló, Shivesh Anand, Ariadna Pérez-Jiménez, Samuel Sánchez (2018). Force Modulation and Adaptability of 3D-Bioprinted Biological Actuators Based on Skeletal Muscle Tissue. Advanced Mat. Technologies, early view