Impresión 3d en la Biomedicina

Resumen

En este documento se presenta la gran importancia y utilidad de las impresoras 3D en la rama de la biomedicina. La impresora 3D se basa en un diseño modular casero (solo para análisis), mediante el cual se puede obtener distintas formas de impresiones, las cuales se pueden implementar como diseño para parte de órganos, las cuales pueden ser sustituidas en el cuerpo humano. Estos servicios permiten a que una persona que le falte algún órgano esencial para la vida se lo puede reconstruir en la impresora 3D, el cual para el diseño se necesita las células de la persona, para que este a la vez al ser colocado en el cuerpo sea compatible. Actualmente existen grupos de personas que se dedican a realizar estudios para así mejorar los diseños de las impresoras y a la vez el diseño de cada parte del órgano con el único objetivo de reducir el costo y el error de compatibilidad y los resultados que se presenta hasta ahora son muy prometedores.

Palabras Clave: Bioprinting, impresora, regeneración, trasplantes, andamios.

Abstract

In this document the importance and usefulness of 3D printers in the field of biomedicine is presented. The 3D printer is based on a modular design home (only for analysis), through which you can get various forms of printing, which can be deployed as part design organ, which can be substituted in the human body. These services enable a person to an essential organ for life lacks it can reconstruct the 3D printer, which for the design of the individual cells is needed for this at a time when placed in the body is compatible. Currently there are groups of people who are engaged in studies to improve designs printers while designing each part of the body with the sole aim to reduce the cost and compatibility error and the results presented so far are very promising.

Keywords: Bioprinting, printer, regeneration, transplantation, scaffolds.

Introducción

La utilización de las impresoras 3D en diversos campos se ha vuelto muy importante en la actualidad y aún más cuando es empleado en la rama de la medicina. En todo el mundo más de mil millones de personas conviven con algunas deficiencias, entre estas, cerca de 200 millones presentan problemas funcionales y este en un número creciente y preocupante [4]. Por lo tanto al haber un gran número de personas con alguna deficiencia, se requiere el uso de ayudas para compensar la falta de algún mimbro funcional. En busca de dichas soluciones se plantean prototipos rápidos en área de la medicina, los cuales servirán de apoyos a la elaboración de procedimientos complejos quirúrgicos o la fabricación de prótesis [4].

La revolución de la impresión 3D pasa hoy por su aplicación en el ámbito de la medicina, donde esta tecnología ha dejado de ser una promesa para convertirse en una herramienta para los profesionales de la salud [3]. Hay tres factores que están impulsando la tendencia: las impresoras más sofisticados, los avances en medicina regenerativa, y el software CAD (diseño asistido por computadora) refinado [1]. Una técnica popular en el mundo de la manufactura avanzada, impresión 3D, se ha modificado para crear, estructuras precisas en 3D de los tejidos vivos [2].

Otro dato interesante es que de hecho, médicos del Hospital Universitario de Utrecht, en Holanda, implantaron por primera vez en el mundo un cráneo completo hecho con una impresora en tres dimensiones a una mujer de 22 años que padecía una enfermedad de los huesos que comprimía su cerebro [3]. Entonces la impresora 3D ha surgido con el objetivo para la impresión directa de células junto con materiales de enseñanza a base de hidrogel para la construcción de tejido y órganos [5].

En tal virtud, en este trabajo se propone llevar a conocer el uso, funcionamiento y las limitantes en una impresora 3D dirigido hacia la rama de la medicina. Además se presentara un prototipo de impreso 3D estándar en el cual se indicara las partes y funcionamiento.

El resto del presente artículo se organiza de la

siguiente forma: en la sección 2 se revisa el funcionamiento de una impresora 3D estándar; en la sección 3 se presenta los elementos (materiales) empleados para la construcción de órganos o prótesis en la impresora 3D , las ventajas y desventajas (limitantes) se analiza en la sección 4; finalmente en la sección 5 se revisan las conclusiones.

Impresora 3D

Las tecnologías de impresión 3D están basadas en las denominadas "tecnologías de procesos aditivos". Este concepto de fabricación aditiva describe a las tecnologías en las que un objeto es creado mediante la definición de una secuencia de capas [6].

Figura 1. Modelo de una impresora real, 1 extrusor, 2 material depositado y 3 ejes de movimiento. [7]

En la figura 1 se puede observar la impresión, en otras palabras, una sección transversal es impresa en un substrato 2D, y mediante el movimiento de este substrato capa a capa en la coordenada Z, se obtiene un producto en tres dimensiones.

Para nuestro caso se debe estudiar el modelo de impresora e impresión aplicado a la medicina, para efectos bioprinting.

Bioprinting 3D está siendo aplicada a la medicina regenerativa para hacer frente a la necesidad de tejidos y órganos adecuados para el trasplante. En comparación con la impresión no biológico, bioprinting 3D implica complejidades adicionales, tales como la elección de materiales, tipos de células, factores de crecimiento y diferenciación, y desafíos técnicos relacionados con la sensibilidad de las células vivas y la construcción de tejidos [8].

Por lo tanto el bioprinting es el uso de procesos de transferencia del modelado y montaje de materiales vivos u no vivos. Los cuáles serán prescritos en 2D o 3D para así producir estructuras bioingeniería que prestan servicios a las medicinas regenerativas, farmacéuticos y estudios básicos de la biología celular [9], [11].

Tal avance de la tecnología bioprinting en tres dimensiones dibuja desde el uso de geles termo-reversible.

Los geles son fluidos a 20 ° C y por encima de 32 ° C y por lo tanto similar a métodos de impresión convencionales se pueden aplicar, de manera que las estructuras del tejido se pueden imprimir con células que representa una tinta biológica [11].

Figura 2. Principio de impresión de órganos. [12]

Por lo tanto las capas sucesivas podrían ser producidas simplemente dejando caer otra capa de gel sobre una ya impreso en la superficie.

Para el almacenamiento de la tinta se emplean sistemas mecánicos los cuales mediante tubos, mangueras hacen circular la tinta a imprimir.

Figura 3. Modelo de una impresora real, 1 extrusor, 2 material depositado y 3 ejes de movimiento. [13]

Como se puede ver en la figura 3, la tinta entra a través de un tubo y va a la placa de la boquilla del cabezal, que pasa por un filtro de tinta y se almacena temporalmente en la cavidad, el cual es un depósito de tinta.

Por lo tanto esta tecnología nos permite imprimir órganos complejos en 3D con asignación exacta y precisa de diversos tipos de células mediante el uso del gel. La importancia de esta tecnología puede demostrar, si tomamos en cuenta que las células humanas se colocan suficientemente cerca en capas secuenciales de geles para formar objetos (órganos) en 3D, que pueden fusionarse y crear órganos completamente funcionales. El proceso se ilustra en las figuras 4 y 5 a continuación.

Figura 4. Modelado 3D empleando gel. [14]

Figura 5. Ensamble (colocación) de las células. [15]

Por lo tanto con lo mencionado anterior en la sección 2 se observa el principio de funcionamiento de una impresora 3D en el área de la medicina, y las cuales deben regirse a las normas de la Sociedad Médica Mundial.

Materiales

La cuestión de los materiales son de suma importancia ya que mediante el cual puede mejorar un proceso o sino también puede influir de manera negativa en el destino celular de la persona a la cual se le implante.

Para este caso han sido investigados diferentes tipos de materiales (naturales y sintéticos, biodegradables y permanentes) para la implementación en la impresión 3D.

Por lo tanto la mayoría de estos materiales han sido conocidos en el campo de la medicina antes de la llegada de la ingeniería de tejidos como un tema de investigación, ya que se emplean como biorreabsorbibles suturas. Ejemplos de estos materiales son el colágeno y algunos poliésteres [18].

Un material sintético utilizado es PLA (ácido poliláctico). Este es un poliéster que se degrada en el cuerpo humano para formar ácido láctico, una sustancia química de origen natural que se elimina fácilmente del cuerpo. Materiales similares son el ácido poliglicólico (PGA) y policaprolactona (PCL): su mecanismo de degradación es similar a la de PLA, pero que presentan, respectivamente, un más rápido y una menor velocidad de degradación en comparación con el PLA [18].

Figura 6. Nanotubo de carbono. [18]

Un estudio realizado en 2009 por Ratmir dirigido a mejorar las condiciones de un ser vivo, para el tejido 3D a través de "apilamiento y desapilar capas de papel impregnado con suspensiones de células en la matriz extracelular de hidrogel, por lo que es posible controlar los gradientes de oxígeno y de nutrientes en 3D, y para analizar las respuestas moleculares y genéticas" [16]. Es posible manipular los gradientes de solubles moléculas, y caracterizar las células en estos degradados complejos con mayor eficacia que las culturas 3D convencionales basados ??en hidrogeles, esferoides celulares, o reactores de perfusión 3D. [17] Los diferentes grosores de papel y tipos de medio puede soportar una variedad de entornos experimentales. La deconstrucción de estas hojas, pueden ser útiles en base de células cribado de alto rendimiento y el descubrimiento de fármacos [18].

Ventajas y desventajas de la impresión 3D

El enfoque de la ingeniería de tejidos es muy prometedor, ya que ofrece la posibilidad de reemplazar tejidos dañados con nuevo tejido que se deriva del paciente y, por tanto, no requerirán fármacos inmunosupresores para contrarrestar el rechazo.

a) La ingeniería de tejidos ha sido un prometedor campo de investigación, ofreciendo esperanza para salvar la brecha entre la escasez de órganos y necesidades de trasplante [21].

b) Reconstrucción facial.

c) Extensión de la vida.

d) Convergencia Industrial entre médicos, ingenieros y científicos de la computación.

e) Puede utilizar polímeros para crear material y no utilizar las células madre adultas, así como células embrionarias, en el cuerpo como la tinta para construir, lo cual el futuro de los trasplantes de órganos, venas y cartílago puede sintetizarse [22].

e) Se pueden realizar prótesis, también pueden utilizar las piezas en movimiento, lo que aumenta el realismo de la prótesis y además se emplean en la reparación y reconstrucción ósea [22], [23].

La tecnología se enfrenta a varias limitaciones que presentan interesantes problemas de detección, actuación y control. Los cuales se discuten la naturaleza y el alcance de estos problemas.

Sin embargo, varios obstáculos impiden la plena aplicación del enfoque de la ingeniería de tejidos para construcciones en 3 dimensiones:

a) La penetración celular y la siembra no se controla, lo que resulta en el tejido con la maduración no uniforme. Métodos de fabricación actuales no permiten intrincados diseños y patrones de células en 3D [19].

b) Los órganos se componen de muchos tipos de células; la colocación de diferentes tipos de células en localizaciones espaciales específicas representa un enorme desafío [19].

c) La difusión de oxígeno a través de grandes construcciones es limitado, y andamios actuales no contienen capilares o tubos vasculares [19].

d) Otra de las dificultades es la vascularización, que es proporcionar un suministro adecuado de oxígeno y nutrientes a las células dentro de las construcciones de ingeniería tisular gruesas. Debido a que limitan la difusión de oxígeno y nutrientes, los tejidos más gruesos tienen problemas de difusión y no pueden sobrevivir ni pueden proliferar bien [20].

Por lo tanto la adaptación de las tecnologías de fabricación existentes para la ingeniería de tejidos sigue siendo un verdadero desafío.

Conclusiones

La contribución de las impresoras 3D en el campo de la medicina es innovador, ya que mediante este se puede generar órganos y a la vez alguna parte faltante del cuerpo (prótesis).

Por otra parte, la aplicación de técnicas de impresión en polvo (bioprinting) a base de implantes para reparar las lesiones craneales y maxilofaciales es una posibilidad. Considerando que, la producción de materiales inorgánicos como corazones o implantes craneales es mucho más fácil, en directo la impresión de órganos tal como un oído es capaz de ser utilizada para la implantación en un ser humano, lo cual se ha demostrado ser factible, sin embargo, requiere de una mayor investigación.

Muchos de los desafíos de la ingeniería de tejidos en general y biomedicina específicamente son de naturaleza biológica, sin embargo, muchos parecen caer dentro del ámbito de la ingeniería de sistemas. De particular interés son los problemas relacionados con la ingeniería de tejidos que pueden ser abordados a través de la robótica, mecatrónica, y controles.

La tecnología es muy prometedora, todavía hay un largo camino por recorrer para lograr prácticamente esta visión ambiciosa. La superación de los obstáculos actuales en la tecnología celular, la tecnología de bioproducción y tecnologías para la integración en los seres humano es esencial para el desarrollo de la tecnología a la perfección automatizado de aislamiento de células madre para trasplantes.

Referencias

• [1] S. Leckart, "How 3-D printing body parts will revolutionize medicne," Popular Science vol. 1, pp. 1-2, Agosto 2013.

• [2] M. Crawford, "Creating valve Tissue using 3-D bioprinting," ASME.org vol. 1, pp. 1-2, Mayo 2013.

• [3] F. Ballarino, "Las impresoras 3D ya se usan en el país para crear prótesis a medida," Fortuna vol. 876, pp. 1-2, Abril 2014.

• [4] Mechanical test in thermoplastic elastomers used in 3D printers for the construction of hand prosthesis, IEEE Standard CFP1418G-ART, April. 2014.

• [5]  Three dimensional cell-hydrogel printer using electromechanical microvalve for tissue engineering, IEEE Standard Th2B.004, June. 2009.

• [6] F. Garcia, F. Torres, "Diseño de un impresora 3D capaz de crear múltiples objetos simultáneamente" Proyecto de titulación, Universidad Politécnica de Madrid. Sep. 2023.

• [7] J. Maturana, "Estas son las tecnologías de impresión que hay sobre la mesa y lo que puedes esperar de ellas," Xataka vol. 1, pp. 1-2, Febrero 2014.

• [8] S. Murphy, A. Atala, "3D Bioprinting of tissues and organs" nature biotechnology vol. 1, pp. 1-4. August 2014

• [9] Guillemot, F., Mironov, V., & Nakamura, M. Bioprinting is coming of age: Report from the International Conference on Bioprinting and Biofabrication in Bordeaux (3B'09): Biofabrication. 2010 Mar;2(1):010201.doi: 10.1088/1758-5082/2/1/010201. Epub 2010

Mar 11.

• [10] 3D Printing: Basic concepts Mathematics and Technologies, IEEE Standard 978-1-4799-3163-7, 2013.

• [11] A. Michael Berman. "3D Printing: Making the Virtual Real," EDUCAUSE Evolving Technologies Committee, EEUU, October 2007.

• [12] Anonyms, "Printing Organs" [online]. Zzzine content management engine, 2004 Disponible en: http://www.zzz.com.ru/index.php?area=issues&action=show_issue&issue_no=200

• [13] G. Torres, A. SOuza "Como desatacar Epson Print Heads," HARDAWARE secrets: Uncomplicating the complicated vol. 1, pp. 1-4, Agosto 2005.

• [14] Anonyms, "Understanding and employing multicellular self-assembly" [online]. Organ Printing, 2007, Disponible en: http://organprint.missouri.edu/www/

• [15] Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., & Markwald, R. R. (2003). Organ printing: computer-aided jet-based 3D tissue engineering. [Research Support, U S Gov't, Non-P H S]. Trends Biotechnol, 21(4), pp. 157-161

• [16] Department of Medicinal Chemistry and Center for Therapeutic Biomaterials, "Evaluating drug efficacy and toxicology in three dimensions: using synthetic extracellular matrices in drug discovery," Pubmed.gov, pp. 10-11, Jul 2007.

• [17] T. Cox, J. Erler, "Remodeling and homeostasis of the extracellular matrix: implications for fibrotic diseases and cancer," DMM (Disease Models & Mechanisms), pp. 165-166, 2011.

• [18] Anonyms, "Tissue engineering" [online]. Organ Printing, 2007, Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Tissue_engineering

• [19] Systems Engineering Challenges in Inkjet Biofabrication, IEEE Standard 10.1109/SECON.2007.342931,pp 395- 398, 2007.

• [20] Construction of vasculature structure within fluidic channel using three-dimensional bio-printer, Lee, V.K.; Lee, W.; Yoo, S.S.; Dai, G. Bioengineering Conference (NEBEC), 2011 IEEE 37th Annual Northeast DOI: 10.1109/NEBC.2011.5778703 Publication Year: 2011, Page(s): 1- 2.

• [21] Bioprinting Toward Organ Fabrication: Challenges and Future Trends, Ozbolat, I.T. ; Yin Yu Biomedical Engineering, IEEE Transactions on Volume: 60 , Issue: 3 DOI: 10.1109/TBME.2013.2243912 Publication Year: 2013 , Page(s): 691 – 699

• [22] Anonyms, "Bioprinting" [online]. Future Technologies, November 2014, Disponible en: http://www.explainingthefuture.com/bioprinting.html

• [23] Anonyms, "Bioprinting Advantages" [online]. Organovo, Disponible en: http://www.organovo.com/science-technology/bioprinted-human-tissue/bioprinting-advantages

Autor:

Cristhian Mauricio Quezada

Universidad Politécnica Salesiana – Ing. Electrica- Viñanazaca