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TECNOLOGÍA. Bioimpresión 3D y sus aplicaciones médicas

La impresión 3D de tejido humano podría contribuir a mantener la salud de los astronautas que viajen a Marte. (Foto: ESA – SJM Photography) 
Los científicos están aplicando las leyes de la física y el modelado predictivo por ordenador a la bioimpresión. La bioimpresión a través de modelos informáticos predictivos podría ver avances en las tecnologías aplicadas al salvamento de vidas que se están convirtiendo en una corriente de investigación principal.


INTRODUCCIÓN
Los avances científicos se siguen produciendo de forma extraordinaria. En pocos años, tecnología que parecía ciencia ficción se hace realidad sin apenas darnos cuenta. Esto se acentúa cuando varias ramas de la ciencia convergen y dan lugar a desarrollos increíbles. Un buen ejemplo es la Bioimpresión 3D, que hoy en día, se puede decir que es una maravillosa realidad.

Físicos, biólogos e ingenieros se han unido para generar en laboratorio, tejidos, huesos e incluso órganos del cuerpo humano que puedan después ser trasplantados a pacientes que los necesiten. El método parece fácil. Se trata de que una impresora 3D imprima una sucesión de finas capas de  material, formado por células vivas, para generar una pieza tridimensional capaz de realizar las funciones de un órgano o tejido dañado.


Las impresoras 3D se pueden usar para hacer una variedad de objetos útiles mediante la creación de una forma, capa por capa. Los científicos han utilizado esta misma técnica para "bioimprimir" tejidos vivos, incluidos los músculos y los huesos.


Modelo de mandíbula en impresión 3D para diagnóstico. (Imagen: Unimedios)

EVOLUCIÓN EN MEDICINA
La primera impresora 3D que salió al mercado fue en el año 1992 y fue desarrollada por la empresa 3D Systems. Su funcionamiento básico consistía en un láser UV que solidificaba un fotopolímero y lo depositaba capa por capa hasta conseguir el objeto tridimensional.

En 1999 se creó el primer órgano en laboratorio. Fue un aumento de vejiga urinaria creada por los científicos del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa. Al estar creada con células del propio paciente la posibilidad de rechazo era insignificante. El mismo instituto, ya en 2002 creó un riñón completamente funcional, el cual podía filtrar la sangre y crear orina en un animal.

En 2008 se crea la primera prótesis compleja de una pierna funcional en una sola pieza desde la rodilla hasta el pie.Hasta la fecha se ha seguido desarrollando esta tecnología que ha conseguido crear piezas dentales y hasta piel para trasplantes en caso de quemaduras graves. Un equipo estadounidense se ha propuesto sintetizar un corazón para el año 2023.


Los productos biológicos creados por bioimpresión generalmente no son utilizables inmediatamente. Si bien la impresora puede crear una configuración inicial de celdas, estas celdas se multiplicarán y se volverán a ensamblar en una nueva configuración. El proceso es similar a lo que ocurre cuando se desarrolla un embrión, y las células se fusionan con otras células y se clasifican en nuevas regiones.



BIOIMPRESIÓN 3D, ¿en qué consiste?
La bioimpresión 3D, con aplicaciones en la medicina, es un campo todavía muy joven que tiene que superar aún retos muy difíciles. La tecnología de esta ciencia se basa en el uso de materiales compatibles con la persona receptora  para evitar rechazos del cuerpo. Deben permitir crear células, cuya finalidad sea producir la actividad funcional necesaria. Los biomateriales tienen que servir como estructura básica para que, una vez realizado el trasplante, las células del organismo se reproduzcan sustituyendo el material trasplantado, que es biodegradable, y asuman funciones de un órgano sano.



TÉCNICAS DE BIOIMPRESIÓN 3D
En la actualidad se desarrollan 5 técnicas de Bioimpresión 3D:

1. Bioimpresión de inyección de tinta
Las impresoras comunes han utilizado tinta para trasmitir al papel el texto o dibujo deseado. Las impresoras 3D usan una Biotinta, formada por biomateriales, que depositando capa a capa este material sobre unas placas de cultivo, son capaces de reproducirse con éxito. Esta tecnología está produciendo grandes avances. Se está consiguiendo crear moléculas, células y órganos  con gran exactitud. Ejemplos muy claros son la creación de células que, injertadas, ayudan a combatir el cáncer de mama o la capacidad para reproducir tejido de un hígado humano que, implantado en la zona  dañada del órgano del paciente, capaz de prolongar su funcionalidad hasta que llegue el trasplante.

2. Bioimpresión por extrusión
Esta tecnología se basa en el extrusionado del biomaterial sometido a presión a través de una microaguja sobre un molde fijo que, capa a capa, es rellenado con una distribución celular completamente homogénea. En esta forma de bioimpresión se inyecta tejido celular, una evolución de las impresoras de inyección tinta.



3. Bioimpresión asistida por láser
Unos rayos láser irradian una cinta trasportadora recubierta con materiales biológicos. Estos, al ser expuestos a la fuente de energía se evaporan y se van acumulando, en forma de gotas, en un receptor que, a través de biopolímeros, mantienen la adhesión celular y ayudan a que comiencen a crecer. Este método es muy preciso y eficaz. El líder francés Poietis está colaborando con L’Oréal para recrear folículos de pelo, creados con bioimpresión láser, para encontrar una solución definitiva para hacer crecer el cabello y dar solución a los problemas de alopecia de hombres y mujeres.



4. Estereolitografía
También conocida como SLA consiste en el solidificado de un fotopolímero mediante luz. Esta tecnología todavía está en desarrollo y se está encontrando con problemas para eliminar la estructura portante inicial.

5. Bioimpresión por ondas acústicas
Este modo de bioimpresión se creó para que la fabricación de componentes fuera independiente de las propiedades físicas del líquido. Mediante el uso de  ondas sonoras se crean gotas con tamaño controlado a partir de fluidos viscosos. Estas ondas crean un campo acústico que es capaz de “ordeñar” de la boquilla de impresión, gotas a tamaño deseado. Cuanto mayor es la amplitud de las ondas, menor es el tamaño de las gotas. Esta tecnología se está desarrollando mucho en el campo de la industria farmacéutica.


Entre los procesos de impresión 3D que se implementan en el campo médico están el Fused Deposition Modeling, o modelado por deposición fundida, en el que se deposita material capa por capa y que es muy común en la impresión de modelos anatómicos.


BIOIMPRESIÓN 3D PARA VIAJES ESPACIALES
Un proyecto de la ESA acaba de producir sus primeras muestras de huesos y piel bioimpresos. Estas muestras de última tecnología fueron preparadas por científicos del hospital universitario de la Universidad Técnica de Dresde (TUD), parte del consorcio responsable del proyecto junto a OHB System como contratista principal y el especialista en ciencias de la vida Blue Horizon.

“Las células cutáneas se pueden bioimprimir empleando como ‘biotinta’ rica en nutrientes plasma sanguíneo humano, fácil de obtener de los tripulantes de una misión”

No obstante, el plasma tiene una consistencia muy fluida, por lo que resulta difícil trabajar con él en las condiciones de gravedad alterada. Para ello, se ha desarrollado una receta modificada añadiendo metilcelulosa y alginato para incrementar la viscosidad del sustrato. Los astronautas podrían obtener estas sustancias de plantas y algas, respectivamente, una solución viable en el espacio cerrado de una expedición espacial. Para producir muestras de hueso se imprimieron células madre humanas con una composición de biotinta similar, añadiendo un cemento óseo de fosfato de calcio como material de soporte estructural, que después se absorbería durante la fase de crecimiento.

"La impresión 3D de tejido humano podría contribuir a mantener la salud de los astronautas que viajen a Marte."

Para demostrar que esta técnica era aplicable en el espacio, la impresión de las muestras de piel y hueso se llevó a cabo boca abajo. Dado que el acceso prolongado a entornos de microgravedad no resultaba práctico, las dificultades de trabajar en condiciones de -1 G representaban la mejor alternativa posible.

Las muestras constituyen los primeros pasos de un ambicioso plan para convertir la bioimpresión 3D en una opción viable para el espacio. El proyecto está estudiando el tipo de instalaciones a bordo que serían necesarias en cuanto a equipos, salas quirúrgicas y entornos estériles, así como a la capacidad de crear tejidos más complejos para trasplantes, cuyo objetivo último sería la impresión de órganos internos completos.

Gracias a la capacidad de bioimpresión 3D se podrá responder a las urgencias médicas según se produzcan. En el caso de quemaduras, por ejemplo, se podría bioimprimir piel nueva en lugar de injertarla desde otra parte del cuerpo del astronauta, lo que provocaría una lesión secundaria que no sería fácil de curar en el entorno orbital. O, en el caso de fracturas óseas (cuya probabilidad es mayor en la ingravidez del espacio o en la gravedad parcial de Marte, que es 0,38 veces la de la Tierra), podría insertarse hueso de sustitución en las áreas dañadas. En todos los casos, el material bioimpreso procedería del propio astronauta, por lo que no habría problemas de rechazo.

Aunque la bioimpresión 3D avanza sin descanso en la Tierra, este proyecto es el primero en el que se aplica a misiones ultraterrestres. Se espera que el trabajo que se lleva a cabo con la bioimpresión 3D también contribuirá a su avance en la Tierra, acelerando su disponibilidad y haciendo que llegue a la gente antes.

CONSECUENCIAS ÉTICAS
La bioimpresión 3D está dando un vuelco al mundo de la medicina. Los doctores serán capaces de adaptar tratamientos individualizados para cada paciente. El elevado coste de la tecnología puede condicionar que quien más recursos tenga, pueda acceder de manera más fácil a ella.

Otro problema que se plantea es que todavía no se ha probado de manera segura y duradera la sustitución de un órgano humano con esta tecnología. No hay certeza de la aceptación del nuevo tejido artificial. 


No cabe duda que el desarrollo de esta tecnología deberá regularse legalmente para que, además de que esté accesible a todas las personas, no pueda ser utilizado de forma incorrecta. ¿Sería posible aumentar las capacidades humanas? ¿Sería posible crear huesos más fuertes u órganos más resistentes y duraderos?...

Fuentes: 
- www.3dnative.com ; www.impresoras3d.com
- Ashkan Shafiee, et al.. Physics of bioprinting. Applied Physics Reviews, June 4, 2019; DOI: 10.1063/1.5087206
- Proyecto “3D Printing of Living Tissue for Space Exploration” (ESA, OHB System- Alemania, Universidad Técnica de Dresd

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