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Bioimpresión: retos, técnicas y futuro


Recientemente se están desarrollando numerosas aplicaciones de la impresión en 3 dimensiones en la investigación biomédica. Todas ellas se basan en la siguiente premisa: un archivo informático que contiene la información obtenida mediante escaneado de un órgano o un tejido se envía a una impresora 3D para su impresión, que se realizará en materiales biocompatibles que no sean rechazados por el cuerpo y que además permitirán la implantación de células. Estas células serán las que se reproducirán para acabar realizando la función buscada, mientras la estructura en la que se han insertado va desapareciendo gracias a sus características biodegradables.


Los retos de la bioimpresión
Partiendo de esta base teórica, empiezan a surgir los primeros retos en su aplicación práctica. En palabras de José Becerra, catedrático de Biología Celular en la Universidad de Málaga y director Científico del Centro Andaluz de Nanomedicina y Biotecnología (BIONAND): “Por el lado biológico existe la tecnología y el conocimiento, basado en las células madre y basado en la ciencia de los materiales. Es decir, existen los materiales, existen las células y la posibilidad de cultivarlas, ahora lo que hay que hacer es poner las dos cosas juntas.” 


Para solventar esto hay que precisar la manera en que se desarrolla el proceso de bioimpresión, tanto la cantidad de células a inyectar como el tiempo que pasan en cultivo antes de su implantación o cómo alimentar estas células durante ese tiempo previo. Según Becerra: “Las células tienen que vivir cada minuto y por tanto cada minuto les tienen que llegar nutrientes. La llegada de los nutrientes en un sistema 3D es compleja porque los nutrientes tienen que atravesar por difusión de una manera físicamente posible esa estructura 3D. Esto solo es posible con unas máquinas que se llaman biorreactores, que son capaces de perfundir (introducir de manera lenta y continua) los nutrientes en un líquido”. Conseguir la vascularización es el reto más complicado, ya que se tienen que generar vasos sanguíneos que lleven los nutrientes a las células implantadas y conectarlos a la circulación del organismo.

Técnicas de bioimpresión
De inyección de tinta: Se depositan capas de tintas sobre hidrogel o placas de cultivo. Existen dos métodos: térmico, en el que un sistema calefactor genera burbujas de aire que impulsan mediante presión las gotas de tinta, y piezoléctrico, que utiliza electricidad acumulada en una pieza cerámica situada en la boquilla de impresión para generar esa misma presión y expulsar la tinta biocompatible. Con esta técnica se han impreso incluso moléculas como el ADN, lo que ha generado expectativas positivas para la futura impresión de tejido vivo. También se está trabajando en la reproducción de tejido del hígado humano para reparar partes dañadas y alargar la vida del órgano a la espera de un trasplante.

Por extrusión: Se generan patrones en tres dimensiones mediante extrusión, realizada con el movimiento de un pistón o una microaguja. Entre las mejoras que proporciona esta técnica están la posibilidad de trabajar a temperatura ambiente y la distribución mucho más homogénea de las células, por lo que se considera una técnica algo más evolucionada que la bioimpresión por inyección de tinta.

Asistida por láser: Utiliza un láser para dejar los biomateriales en un receptor. Los rayos láser irradian una cinta cubierta con materiales biológicos, consiguiendo que estos se evaporen y lleguen a un receptor que contienen un polímero al que se adhieren y en el que empiezan a crecer. Es un método más preciso y sin necesidad de contacto. Entre los proyectos que utilizan esta técnica se encuentran reproducciones capilares.

Estereolitografía: Ilumina un polímero para solidificarlo, en ocasiones utilizando hidrogeles sensibles a la luz. Tiene mayor precisión que las técnicas previas pero se encuentra aún en fase de desarrollo para superar los problemas que supone, como ausencia de polímeros biocompatibles y/o biodegradables o algunos efectos nocivos que se han detectado.


Por ondas acústicas: Utiliza un dispositivo microfluídico denominado pinzas acústicas en el que se puede trabajar con células o partículas mediante el uso de ondas acústicas superficiales. Estas ondas se propagan en tres ejes encontrándose en nodos de captura tridimensional. Las ventajas de esta técnica están relacionadas principalmente con sus características no invasivas.

Escaneado 3D. NIH, NCATS y National Eye Institute.
Expectativas de futuro
Las expectativas de futuro de esta tecnología son eminentemente optimistas. Si bien la bioimpresión 3D de órganos completos queda aún muy lejos según los expertos, si es más asequible en los próximos años la impresión de partes de los mismos o de pequeños vasos sanguíneos o arterias. Se han llegado a implantar trozos de tráquea, aunque de momento los resultados no han sido los esperados en el largo plazo y esta implantación ha servido más bien como parche temporal antes de tomar otras medidas. Tras estos avances se espera que las siguientes impresiones que se consigan sean huesos para prótesis o estructuras tubulares como la vejiga o el uréter. Se espera que estos avances ayuden a cubrir las necesidades de órganos para trasplantes, ya que la demanda está creciendo rápidamente en las últimas décadas sin que las donaciones crezcan a un ritmo similar.

El mercado de la bioimpresión se valoró en 2014 en unos 487 millones de dólares y se estima un crecimiento del 36% en el período comprendido entre 2017 y 2022. La fabricación de la maquinaria implicada en estos procesos también esta experimentando un gran crecimiento. Sumando esta industria se cree que en diez años el mercado de la bioimpresión puede mover unos 6.000 millones de dólares. El otro pilar de este nuevo nicho económico es el cultivo de las células. Se están proyectando en este momento los primeros bancos de células para bioimpresión, lo que se convertirá en otro negocio importante. Los principales líderes en investigación en este sector son Estados Unidos, Alemania y Reino Unido.

Fuentes: www.3dnatives.com;  www.innovation-hub.com

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