Cómo funciona la bioimpresión 3D

Los futuros Victor Frankenstein no tendrán que convertirse en ladrones de tumbas para obtener partes del cuerpo. Ni siquiera necesitarán cuerpos. En cambio, apostamos a que aprovecharán una tecnología de rápido desarrollo conocida como bioimpresión . Esta rama de la impresión 3D tiene como objetivo permitir que los científicos e investigadores médicos construyan un órgano, capa por capa, utilizando escáneres e impresoras tradicionalmente reservados para el diseño de automóviles, la construcción de modelos y la creación de prototipos de productos.

Para hacer un juguete usando esta técnica, un fabricante carga una sustancia, generalmente plástico, en una máquina del tamaño de una mini-nevera. También carga un diseño en 3D del juguete que quiere hacer. Cuando le dice a la máquina que imprima, se calienta y, usando el diseño como un conjunto de instrucciones, extruye una capa de plástico derretido a través de una boquilla sobre una plataforma. A medida que el plástico se enfría, comienza a solidificarse, aunque por sí mismo no es más que una sola rebanada del objeto deseado. Luego, la plataforma se mueve hacia abajo para que una segunda capa pueda depositarse sobre la primera. La impresora repite este proceso hasta que forma un objeto sólido con la forma del juguete.

En los círculos industriales, esto se conoce como fabricación aditiva porque el producto terminado se fabrica agregando material para construir una forma tridimensional. Se diferencia de la fabricación tradicional, que muchas veces consiste en sustraer un material, a modo de mecanizado, para conseguir una determinada forma. Los fabricantes de aditivos no se limitan a usar plástico como material de partida. Algunos usan polvos, que se mantienen unidos con pegamento o se calientan para fusionarlos. Otros prefieren materiales alimenticios, como queso o chocolate, para crear esculturas comestibles. Y aún otros, versiones modernas de Victor Frankenstein, están experimentando con biomateriales para imprimir tejido vivo y, cuando se colocan en capas adecuadamente en entornos bióticos, órganos en pleno funcionamiento.

Así es, la misma tecnología que puede producir figuras de acción de Star Wars también puede producir hígados, riñones, oídos, vasos sanguíneos, piel y huesos humanos. Pero imprimir una versión tridimensional de R2-D2 no es exactamente lo mismo que imprimir un corazón que se expande y contrae como un músculo cardíaco real. Corta una figura de acción y encontrarás plástico de principio a fin. Corta un corazón humano y encontrarás una matriz compleja de células y tejidos, todos los cuales deben organizarse adecuadamente para que el órgano funcione. Por este motivo, la bioimpresión se desarrolla más lentamente que otras técnicas de fabricación aditiva, pero avanza. Los investigadores ya han construido impresoras 3D modificadas y ahora están perfeccionando los procesos que les permitirán imprimir tejidos y órganos para pruebas farmacéuticas y, en última instancia, para trasplantes.

1. La historia tridimensional de la bioimpresión
2. Al igual que una impresora de inyección de tinta, más o menos
3. Componentes de la bioimpresora
4. Órganos a medida
5. ¡Uno, dos, tres, imprimir!
6. Usos para órganos tridimensionales

La promesa de imprimir órganos humanos comenzó en 1983 cuando Charles Hull inventó la estereolitografía . Este tipo especial de impresión se basó en un láser para solidificar un material de polímero extruido de una boquilla. Las instrucciones para el diseño vinieron de un ingeniero, quien definiría la forma tridimensional de un objeto en un software de diseño asistido por computadora (CAD) y luego enviaría el archivo a la impresora. Hull y sus colegas desarrollaron el formato de archivo, conocido como .stl, que contenía información sobre la geometría de la superficie del objeto, representada como un conjunto de caras triangulares.

Al principio, los materiales utilizados en la estereolitografía no eran lo suficientemente resistentes para crear objetos duraderos. Como resultado, los ingenieros en los primeros días utilizaron el proceso estrictamente como una forma de modelar un producto final, por ejemplo, una pieza de automóvil, que eventualmente se fabricaría utilizando técnicas tradicionales. Toda una industria, conocida como creación rápida de prototipos, creció en torno a esta tecnología y, en 1986, Hull fundó 3D Systems para fabricar impresoras 3D y los materiales que se utilizan en ellas.

A principios de la década de 1990, 3D Systems había comenzado a introducir la próxima generación de materiales: nanocompuestos , plásticos combinados y metales en polvo. Estos materiales eran más duraderos, lo que significaba que podían producir objetos fuertes y resistentes que podían funcionar como productos terminados, no como meros peldaños hacia productos terminados.

Los investigadores médicos no tardaron en darse cuenta. ¿Qué es un órgano sino un objeto que posee una anchura, una altura y una profundidad? ¿No podría mapearse tal estructura en tres dimensiones? ¿Y no podría una impresora 3-D recibir un mapa de este tipo y luego renderizar el órgano de la misma manera que podría renderizar un adorno de capó o una pieza de joyería? Tal hazaña podría lograrse fácilmente si los cartuchos de la impresora rociaran biomateriales en lugar de plásticos.

Los científicos se lanzaron a la caza de tales materiales y, a fines de la década de 1990, habían ideado técnicas y procesos viables para hacer realidad la construcción de órganos. En 1999, los científicos del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine utilizaron una impresora 3D para construir un andamio sintético de una vejiga humana. Luego cubrieron el andamio con células extraídas de sus pacientes y desarrollaron con éxito órganos funcionales. Esto sentó las bases para la verdadera bioimpresión. En 2002, los científicos imprimieron un riñón funcional en miniatura capaz de filtrar sangre y producir orina en un modelo animal. Y en 2010, Organovo, una empresa de bioimpresión con sede en San Diego, imprimió el primer vaso sanguíneo.

Hoy, la revolución continúa. El centro de atención son las propias impresoras, así como la mezcla especial de tintas vivas que contienen. Cubriremos ambos a continuación.

La idea de la impresión 3D evolucionó directamente de una tecnología que todos conocen: la impresora de inyección de tinta . Observe cómo su máquina HP o Epson produce una página impresa y notará que el cabezal de impresión, impulsado por un motor, se mueve en tiras horizontales a lo largo de una hoja de papel. A medida que se mueve, la tinta almacenada en un cartucho se rocía a través de diminutas boquillas y cae sobre la página en una serie de finas gotas. Las gotas se acumulan para crear una imagen, y las configuraciones de mayor resolución depositan más tinta que las configuraciones de menor resolución. Para lograr una cobertura completa de arriba a abajo, la hoja de papel, ubicada debajo del cabezal de impresión, se enrolla verticalmente.

La limitación de las impresoras de inyección de tinta es que solo imprimen en dos dimensiones, a lo largo de los ejes x e y. Una impresora 3D supera esto al agregar un mecanismo para imprimir a lo largo de un eje adicional, generalmente denominado eje z en aplicaciones matemáticas. Este mecanismo es un ascensor que sube y baja una plataforma. Con tal disposición, el cabezal de tinta puede depositar material de lado a lado, pero también puede depositar capas verticalmente a medida que el elevador empuja la plataforma hacia abajo y alejándola del cabezal de impresión. Llene el cartucho con plástico y la impresora generará un widget de plástico tridimensional. Llénalo con células y generará una masa de células.

Conceptualmente, la bioimpresión es realmente así de simple. En realidad, es un poco más desafiante porque un órgano contiene más de un tipo de material. Y debido a que el material es tejido vivo, necesita recibir nutrientes y oxígeno. Para adaptarse a esto, las empresas de bioimpresión han modificado sus impresoras 3D para servir mejor a la comunidad médica.

¿Dónde puedo encontrar una bioimpresora?

Como puede imaginar, la tecnología de bioimpresión no está en el punto en que puede pedir una en Amazon, pero puede encontrar, por ejemplo, la bioimpresora NovoGen MMX de Organovo en instituciones como la Escuela de Medicina de Harvard, la Universidad de Wake Forest y el Consorcio de Sanford para Medicina regenerativa. Si no es realmente un tipo institucional, es posible que desee consultar el Instructable para una bioimpresora de bricolaje de la gente de BioCurious .

Si tuviera que desarmar una bioimpresora, como nos encantaría hacer, encontraría estas partes básicas:

Montaje del cabezal de impresión : en una bioimpresora, los cabezales de impresión están unidos a una placa de metal que corre a lo largo de una pista horizontal. El motor del eje x impulsa la placa de metal (y los cabezales de impresión) de un lado a otro, lo que permite que el material se deposite en cualquier dirección horizontal.

Elevador : una pista de metal que corre verticalmente en la parte posterior de la máquina, el elevador, impulsado por el motor del eje z, mueve los cabezales de impresión hacia arriba y hacia abajo. Esto hace posible apilar capas sucesivas de material, una encima de la siguiente.

Plataforma : un estante en la parte inferior de la máquina proporciona una plataforma para que descanse el órgano durante el proceso de producción. La plataforma puede soportar un andamio, una placa de Petri o una placa de pocillos, que podría contener hasta 24 pequeñas depresiones para contener muestras de tejido de órganos para pruebas farmacéuticas. Un tercer motor mueve la plataforma de adelante hacia atrás a lo largo del eje y.

Depósitos : los depósitos se conectan a los cabezales de impresión y contienen el biomaterial que se depositará durante el proceso de impresión. Estos son equivalentes a los cartuchos de su impresora de inyección de tinta.

Cabezales de impresión/jeringas : una bomba empuja el material desde los depósitos hacia abajo a través de una pequeña boquilla o jeringa, que se coloca justo encima de la plataforma. A medida que se extruye el material, forma una capa sobre la plataforma.

Sensor de triangulación : un pequeño sensor rastrea la punta de cada cabezal de impresión a medida que se mueve a lo largo de los ejes x, y y z. El software se comunica con la máquina para conocer la ubicación precisa de los cabezales de impresión durante todo el proceso.

Microgel : a diferencia de la tinta que carga en su impresora en casa, la biotinta está viva, por lo que necesita alimento, agua y oxígeno para sobrevivir. Este entorno enriquecedor lo proporciona un microgel: piense en la gelatina enriquecida con vitaminas, proteínas y otros compuestos que sustentan la vida. Los investigadores mezclan las células con el gel antes de imprimir o extruyen las células de un cabezal de impresión y el microgel del otro. De cualquier manera, el gel ayuda a que las células permanezcan suspendidas y evita que se asienten y se aglomeren.

Biotinta : los órganos están hechos de tejidos y los tejidos están hechos de células. Para imprimir un órgano, un científico debe poder depositar células específicas del órgano que espera construir. Por ejemplo, para crear un hígado, comenzaría con hepatocitos, las células esenciales de un hígado, así como con otras células de apoyo. Estas celdas forman un material especial conocido como biotinta , que se coloca en el depósito de la impresora y luego se extruye a través del cabezal de impresión. A medida que las células se acumulan en la plataforma y se incrustan en el microgel, asumen una forma tridimensional que se asemeja a un órgano humano .

Alternativamente, el científico podría comenzar con un biotinta que consiste en células madre que, después del proceso de impresión, tienen el potencial de diferenciarse en las células diana deseadas. De cualquier manera, la biotinta es simplemente un medio y una bioimpresora es un dispositivo de salida. A continuación, revisaremos los pasos necesarios para imprimir un órgano diseñado específicamente para un solo paciente.

Cuando los investigadores construyeron impresoras 3D capaces de depositar biotinta y formar masas de células vivas, celebraron un gran logro. Luego, inmediatamente comenzaron a abordar el siguiente gran problema: ¿Cómo puede la bioimpresión producir un órgano para una persona específica? Para lograr esto, un equipo médico necesita recopilar datos sobre el órgano en cuestión: su tamaño, forma y ubicación en el cuerpo del paciente. Luego, los miembros del equipo deben inventar un biotinta utilizando células extraídas del paciente. Esto asegura que el órgano impreso será genéticamente compatible y no será rechazado una vez trasplantado en el cuerpo del paciente.

Para órganos simples, como las vejigas, los investigadores no imprimen el tejido vivo directamente. En su lugar, imprimen un andamio tridimensional hecho de polímeros biodegradables o colágeno. Para determinar la forma exacta del andamio, primero construyen un modelo 3-D utilizando un software de diseño asistido por computadora (CAD). Por lo general, definen las coordenadas x, y y z exactas del modelo al tomar escaneos del paciente usando tecnología de tomografía computarizada (CT) o resonancia magnética (MRI).

Luego, los investigadores obtienen las células que necesitan tomando una biopsia de la vejiga del paciente. Luego colocan las muestras de células en un cultivo, donde se multiplican en una población lo suficientemente grande como para cubrir el andamio, lo que proporciona un sustrato temporal para que las células se adhieran mientras se organizan y fortalecen. Sembrar el andamio requiere mucho tiempo y un trabajo manual minucioso con una pipeta. Por lo general, se tarda unas ocho semanas antes de que dichas vejigas artificiales estén listas para su implantación. Cuando los médicos finalmente colocan el órgano en el paciente, el andamio ha desaparecido o desaparece poco después de la cirugía.

El procedimiento anterior funciona porque el tejido de la vejiga solo contiene dos tipos de células. Órganos como los riñones y el hígado tienen una estructura mucho más compleja con una mayor diversidad de tipos de células. Si bien sería bastante fácil imprimir un andamio, sería casi imposible recrear manualmente la estructura tridimensional del tejido. Una bioimpresora, sin embargo, es ideal para completar una tarea orientada a los detalles que consume mucho tiempo.

Estos son los pasos para imprimir un órgano complejo:

El paso final de este proceso, hacer que las células de los órganos impresos se comporten como células nativas, ha sido un desafío. Algunos científicos recomiendan que la bioimpresión se realice con las células madre de un paciente. Después de ser depositados en su espacio tridimensional requerido, se diferenciarían en células maduras, con todas las instrucciones sobre cómo "comportarse". Luego, por supuesto, está la cuestión de llevar sangre a todas las células de un órgano impreso. Actualmente, la bioimpresión no ofrece suficientes resoluciones para crear pequeños capilares de una sola célula de espesor. Pero los científicos han impreso vasos sanguíneos más grandes y, a medida que la tecnología mejore, el próximo paso será el reemplazo de órganos completamente funcionales , completos con la vascularización necesaria para permanecer vivos y saludables.

En el momento de la publicación, los cirujanos no habían implantado un órgano impreso desde cero en un ser humano. Eso no significa que no haya habido éxitos. Reemplazar partes del esqueleto es un área que está siendo revolucionada por la impresión 3D. Algunos dentistas ahora toman un escaneo intraoral de los dientes de un paciente y envían el escaneo a un laboratorio que fabrica un puente de porcelana usando una impresora 3D. Los fabricantes de prótesis también han cambiado su enfoque para diseñar miembros artificiales. Ahora, muchos pueden imprimir carenados (cubiertas de extremidades protésicas) que se adaptan perfectamente a la anatomía de una persona, brindando al usuario un ajuste más cómodo. Estos son solo preludios de lo que puede deparar el futuro: imprimir huesos completos para colocarlos en el cuerpo.

Los científicos también han impreso con éxito estructuras cartilaginosas, como orejas y tráqueas. Para hacer lo primero, los bioingenieros toman un escaneo 3-D de la oreja de un paciente, diseñan un molde usando software CAD y luego lo imprimen. Luego inyectan el molde con células de cartílago y colágeno. Después de pasar un tiempo en una incubadora, la oreja sale, lista para adherirse al paciente. Se puede hacer una tráquea de manera similar. En 2012, los médicos de la Universidad de Michigan imprimieron una funda, hecha a partir de un modelo tridimensional generado a partir de una tomografía computarizada, para envolver y sostener la tráquea de un bebé, que se había vuelto débil y flácida por un defecto raro.

El santo grial, por supuesto, es un órgano bioimpreso, y la piel, el órgano más grande del cuerpo, puede ser el primer elemento de la lista. Los investigadores del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ya han desarrollado un sistema completo para imprimir injertos de piel. El sistema incluye un escáner para mapear la herida de un paciente y una impresora de inyección de tinta especialmente diseñada que deposita las células, proteínas y enzimas necesarias para formar la piel humana. El objetivo es construir impresoras portátiles para su uso en hospitales de campaña, donde los médicos pueden imprimir la piel directamente sobre los pacientes.

Hasta que estas maravillas estén en línea, los órganos tridimensionales jugarán un papel importante en la educación y el desarrollo de fármacos. Incluso podrían ser un factor en el desarrollo de productos alimenticios y de ropa (carne y cuero cultivados en laboratorio). Algunas facultades de medicina han invertido en tecnología de impresión 3D para crear modelos quirúrgicos de órganos a partir de imágenes de tomografía computarizada o resonancia magnética. Esto permite a los estudiantes practicar en corazones, hígados y otras estructuras que se ven y se sienten como si fueran reales. Tener acceso a tejidos tan realistas también beneficia a las compañías farmacéuticas, que pueden probar fármacos candidatos para ver sus efectos. Organovo cuenta con varias impresoras capaces de imprimir modelos tridimensionales de tejidos de hígado, riñón y cáncer. Estos no son órganos completos destinados a vivir indefinidamente. En cambio, son "órganos en un chip", pequeños,

Tal vez algún día, la bioimpresión convierta a cualquiera en un Víctor Frankenstein, capaz de imprimir órganos, huesos y músculos y ensamblarlos en un facsímil razonable de un ser humano. Por otra parte, está la cuestión de un sistema nervioso. Incluso los mejores escáneres, impresoras, tintas y geles se quedarán cortos cuando se trata de recrear un cerebro pensante y soñador. Y sin eso, nuestros esfuerzos nos dejarían con una colección de órganos anatómicamente correctos y tridimensionalmente precisos, pero nada para controlarlos.

¿Quién es el jefe de la bioimpresión?

En los EE. UU., ese papel recaería en la Administración de Alimentos y Medicamentos, pero este también es un territorio nuevo para la agencia. Según una publicación de blog del 15 de agosto de 2013, dos laboratorios de la Oficina de Laboratorios de Ciencia e Ingeniería (OSEL) de la agencia están investigando el caso. El Laboratorio de Mecánica de Sólidos está ocupado evaluando "cómo las diferentes técnicas y procesos de impresión afectan la resistencia y durabilidad de los materiales utilizados en los dispositivos médicos". El Laboratorio de uso de dispositivos y rendimiento funcional ha "desarrollado y adaptado métodos de modelado por computadora para ayudarnos a determinar el efecto de los cambios de diseño en la seguridad y el rendimiento de los dispositivos cuando se usan en diferentes poblaciones de pacientes" [fuente: Pollack y Coburn ].

Nota del autor: Cómo funciona la bioimpresión 3D

Recuerdo mi primera impresora: una máquina de escribir Brother conectada a una Commodore 64, seguida de una impresora de rueda de margarita alimentada por una PC IBM. Es difícil de creer que algún día podamos tener bioimpresoras en nuestros escritorios. Si lo hacemos, me pregunto a dónde iremos para conseguir nuevos cartuchos de biotinta.

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