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