Descripción general de la tecnología de bioimpresión 3D

La bioimpresión 3D inmersa en el siglo XXI. Es una idea alucinante imprimir tejido humano a través de la fabricación aditiva.

Se puede decir que es un paso sobresaliente en la medicina de ingeniería de tejidos y regeneración de tejidos.

En las últimas décadas, esta tecnología se ha utilizado para tratar de crear construcciones de tejidos funcionales que imitan el tejido humano.

Por lo tanto, la bioimpresión 3D podría poner fin a los largos procesos involucrados en los ensayos clínicos de fármacos en animales y humanos.

Además, podría ser la solución para la escasez de órganos durante los trasplantes de órganos que tienden a fallar debido al rechazo del tejido. Este avance terminaría con el estado desesperado de la donación de órganos en todo el mundo. Esto es todo lo que necesita saber sobre la bioimpresión 3D.

¿Qué es la bioimpresión 3D?

La fabricación aditiva ha ampliado su aplicación en la ingeniería de órganos. El proceso consiste en construir un órgano o un tejido por capas (una capa u otra). Utiliza el enfoque ascendente de la impresión 3D.

El enfoque capa por capa garantiza que deposite células primarias, biónicas y otros materiales de una manera específica que imita la arquitectura celular típica.

Por lo tanto, el proceso conduce a un tejido u órgano sintetizado con la funcionalidad y estructura normales del tejido natural complejo.

En la bioimpresión tridimensional, imprime biomoléculas y células en sustratos para formar un patrón particular que mantiene unida la construcción como la forma 3D requerida. Tenga en cuenta que la bioimpresión 3D utiliza células madre humanas vivas, tejidos y más.

Por lo tanto, debe seguir las modalidades relacionadas con los tejidos vivos. Estas modalidades incluyen biocompatibilidad de células y materiales, sensibilidad celular a sus materiales y métodos de impresión, perfusión y administración de factores de crecimiento.

Por qué el tejido bioimpreso puede reemplazar a los animales y humanos en los ensayos preclínicos

El proceso de bioimpresión está automatizado. Por lo tanto, esta automatización asegura patrones celulares precisos y una comunicación y organización extracelular controlada.

Además, la fabricación capa a capa del tejido biosintetizado asegura que el tejido impreso tenga poros interconectados.

Por lo tanto, el tejido u órgano bioimpreso que ha mejorado la comunicación intercelular e intracelular será ideal para la fisiología humana in vivo.

Esta característica mejoraría el tejido sintético porque ayuda en los datos obtenidos en los ensayos preclínicos y también porque el tejido animal puede no predecir suficientemente la respuesta fisiopatológica humana.

¿Cómo funciona la bioimpresión 3D?

En el cuerpo humano, los tejidos se dañan y se degeneran a diario. Sin embargo, sus capacidades de regeneración de tejidos pueden no ser suficientes para lidiar con traumas frecuentes como accidentes o enfermedades cardíacas.

Con el tiempo, el tratamiento de tales afecciones depende del trasplante de tejidos u órganos. Por lo tanto, todo el proceso corre el riesgo de una respuesta inmune o rechazo del injerto.

Para resolver los dos problemas, la impresión 3D resulta útil.

¿Por qué? Porque necesitas un órgano, el objetivo de la medicina regenerativa a través de la bioimpresión 3D es proporcionar a tus células madre el órgano o tejido que necesitas. Entonces tendrás el tejido perfecto que no atrae estas respuestas autoinmunes.

El concepto de bioimpresión 3D implica principios de ciencia de materiales y biología humana para sintetizar tejidos y órganos.

Por lo tanto, el enfoque principal es la restauración de órganos o tejidos dañados, como la cirrosis hepática o la insuficiencia cardíaca. Por lo tanto, la idea gira en torno a emular la complejidad biológica nativa del tejido que conduce a la diferenciación de células madre que conduce a la regeneración del tejido.

¿Por qué la bioimpresión 3D en lugar de la donación normal?

En la donación habitual, el proceso que conduce al rechazo de tejidos u órganos resulta de la formación de células y la interfase de conexión, entre otras cosas. Está influenciado por factores de crecimiento, como los factores de crecimiento del endotelio vascular.

Este proceso es algo aleatorio y no permite la distribución personalizada de matrices o células extracelulares. Además, es menos eficiente y requiere más tiempo. Desde el punto de vista económico y logístico, este inconveniente se traduce en la inviabilidad del injerto para la aplicación clínica.

Por lo tanto, la fabricación aditiva ayuda a explorar la ingeniería de tejidos a través del enfoque de arriba hacia abajo en la bioimpresión 3D.

Este enfoque tiene una naturaleza controlada en el depósito de materia que ayuda a producir geometrías precisas que son anatómicamente precisas utilizando un diseño asistido por computadora.

¿Cuál es el propósito de la bioimpresión tridimensional?

Según las impresoras 3D Allevi, más de 120 000 ciudadanos estadounidenses necesitan una donación de órganos.

Otros innumerables pacientes tienen condiciones de salud crónicas y otras terminales debido a la inmunosupresión postrasplante y otros por el daño a largo plazo del mismo.

Por lo tanto, el aumento de la presión y la necesidad de alternativas de trasplante de órganos. La fabricación aditiva ha ayudado a la comunidad científica y médica a formar investigadores, ingenieros y médicos multidisciplinarios para enfrentar los desafíos relacionados con la salud humana.

La bioimpresión tridimensional es una herramienta que promete eliminar las listas de espera para trasplantes de órganos y tejidos. Además, en el desarrollo farmacéutico, la bioimpresión tiene una forma más rápida y menos costosa de realizar ensayos clínicos de medicamentos que son biológicamente relevantes para animales y humanos.

Este dispositivo, por ejemplo, ayuda a los cirujanos a unir las venas reduciendo las complicaciones. La impresión tridimensional también ayuda a ofrecer sistemas de administración de fármacos más sencillos.

Sorprendentemente, una mayor evolución de la bioimpresión 3D hará que la ingeniería del tejido óseo y el tejido de la piel, el tejido cardíaco, los parches de órganos o el reemplazo de órganos completos utilicen las células madre de un paciente.

El objetivo de la impresión 3D es proporcionar a los médicos e investigadores una mejor herramienta para tratamientos objetivo con mejores resultados.

¿Cuándo se inventó la bioimpresión 3D?

Esta pregunta nos retrotrae a principios del siglo XX, cuando se descubrieron las impresoras matriciales.

Las impresoras tridimensionales capaces de imprimir objetos tangibles a partir de datos de Charles Hall formaron una base para que todos los aficionados e ingenieros imprimieran diferentes objetos, incluidos tejidos y edificios.

Sin embargo, la bioimpresión tridimensional comenzó en el año 2000 cuando alguien creó prótesis e implantes que casi coincidían con las características del paciente. El campo médico ha adoptado usos no biológicos de la impresión 3D más el modelado anatómico.

En 2003, Thomas Boland fabricó la primera bioimpresora tridimensional para imprimir un tejido vivo utilizando biotinta de sustancias biocompatibles. Tras el avance de 2003, se produjo la implantación exitosa de la primera vejiga humana fabricada en laboratorio en 2006 y la bioimpresión en 2009 del primer vaso sanguíneo.

El procedimiento para la bioimpresión 3D

Las estrategias de bioimpresión tridimensional giran en torno a la estratificación precisa de los materiales. El proceso de bioimpresión implica fases de preparación, impresión y manipulación posterior.

En la fase de preparación, diseña modelos 3D utilizando gráficos por computadora. Estos modelos deben ser anatómicamente precisos.

También selecciona la tinta biológica que utilizará. Esta selección significa que usted determina el tejido muscular o la estructura que desea, seleccionando así los materiales correctos, incluidas las células de mamífero, las células endoteliales o cualquier otro tipo de célula que necesite.

El segundo paso implica la selección de materiales aditivos y el último paso implica la maduración de las estructuras fabricadas.

Técnicas de Bioimpresión

Puede realizar la bioimpresión sin andamios o con andamios. Modo basado en andamios; la matriz comprende el estrato utilizado en el proceso de fabricación. Esta matriz de biomaterial modela la biotinta. Por lo tanto, puede usar hidrogel cargado de células, una película o una nanofibra.

Tenga en cuenta:la construcción biológica resultante debe imitar de cerca el entorno de matriz extracelular típico. Este aspecto permite que las células de las construcciones biológicas aumenten y crezcan.

La bioimpresión sin andamiaje implica depositar tejido y agregados celulares como esferoides, cilindros, panales, etc. El segundo proceso implica poner esferoides de tejido en pipetas y luego depositar la pipeta en un espacio confinado del molde de bioimpresora 3D por extrusión.

Luego, las células forman su matriz celular, lo que conduce a la maduración del tejido; de ahí que elimines el moho.

¿Cuáles son las desventajas de la bioimpresión 3D?

Un riesgo de contaminación en la bioimpresión de inyección de tinta continua:la biotinta que no se desvía en el sustrato recircula en su impresora. La recirculación puede provocar contaminación.

La falta de componentes de bioimpresión, como un software inadecuado, puede definir las moléculas biológicas, los biomateriales y la ubicación de las células. Esta carencia dificulta las operaciones de bioimpresión 3D.

En la deformación del andamio, sus tejidos recién formados pueden fallar si no proporciona soporte mecánico y estructural. Por lo tanto, debe fabricar construcciones 3D estables.

¿Cuántos tipos de bioimpresión existen?

Existen varias técnicas de impresión tridimensional para la fabricación y el modelado selectivo de la matriz extracelular. Incluyen:

• Impresión por inyección de tinta
• Impresión por extrusión
• Bioimpresión asistida por láser
• Bioimpresión estereolitográfica

Bioimpresión tridimensional basada en inyección de tinta

La bioimpresión por inyección de tinta utiliza tinta biológica y células vivas en papel biológico. La tinta biológica es una suspensión de biomaterial con baja viscosidad, mientras que los papeles biológicos son sustancias de biomaterial como construcciones de polímeros, una placa de cultivo o un sustrato de hidrogel.

Puedes hacer esta técnica de dos maneras. La primera forma es la impresión continua por chorro de tinta. Aquí crea un flujo continuo de gotas a medida que aplica presión sobre su tinta biológica. La presión fuerza la salida de la tinta.

Luego, aplica un campo eléctrico que desvía el flujo de tinta biológica hacia un sustrato. Un canal recoge el exceso de gotas que no se alinean en la corriente para su reutilización.

En segundo lugar, tiene bioimpresión de chorro de tinta bajo demanda. La acción es similar a la impresión de inyección de tinta continua, excepto que producirá las gotas a pedido. Por lo tanto, aplicará presión de pulso en lugar de aplicar presión continua.

Transferencia láser hacia adelante

La transferencia directa inducida por láser utiliza rayos láser para depositar tinta biológica en los sustratos. Este método ofrece un proceso de escritura sin contacto para la impresión tridimensional.

En este método, tiene tres elementos vitales, que incluyen una fuente de láser (pulsada), una cinta recubierta de tinta biológica y un sustrato receptor. Puede utilizar un láser UV con un pulso de nanosegundos como fuente de energía.

Originalmente, LIFT usaba un pulso láser de alta energía para garabatear elementos metálicos en el sustrato transparente depositándolo directamente. La técnica se extiende como AFA-LIFT.

Asistido por película absorbente (LIFT) para bioimpresión

Aquí, incluirá una capa metálica absorbente de láser en las biotintas y la interfaz de la cinta. Esta capa actúa como una capa de sacrificio, protegiendo sus células de la exposición al láser.

En esta técnica, puede imprimir células directamente en la matriz extracelular. Además, puedes imprimirlos como piezas encapsuladas en el proceso de impresión.

Bioimpresión basada en extrusión

La bioimpresión por extrusión se realiza de dos formas:bioimpresión asistida por presión y escritura con tinta directa. DIW implica un proceso de extrusión neumática donde la bioimpresora tridimensional extruye materiales generando arquitecturas 3D capa por capa.

En la impresión asistida por presión, inducirá el flujo aplicando una tensión más alta por encima de la tensión de fluencia del aparato. Por lo tanto, liberará el esfuerzo cortante y la tinta biológica recuperará la rigidez después de aplicarla sobre el sustrato.

Bioimpresión 3D SLA

La bioimpresión SLA depende de la altura de los materiales biocompatibles más que de su complejidad.

La técnica construye tejidos complejos capa por capa añadiendo materiales y proyectando luz. Usted proyecta la luz en su biotinta fotosensible y termocurable.

La fotosensibilidad es un requisito para los biomateriales porque la técnica utiliza la luz como agente de reticulación. Por lo tanto, debe incluir fracciones fotocurables como derivados de PEG.

Los sectores de la salud incorporan la bioimpresión SLA en las técnicas de imagen, incluidas las resonancias magnéticas y las tomografías computarizadas para mejorar el diagnóstico de las prótesis.

El sector también lo utiliza para lograr cirugías complejas. La bioimpresión SLA tiene dos categorías:métodos de impresión multifotónicos y monofotónicos.

¿Quién podría beneficiarse de la bioimpresión 3D?

Tenga en cuenta que la bioimpresión de órganos y tejidos necesita más años de investigación. Pero podríamos adelantar a quienes beneficiará mayoritariamente esta herramienta a varios pacientes. Aquí hay una lista de áreas en las que se aplica la bioimpresión.

• Bioimpresión de tejido cutáneo
• Bioimpresión de tejido óseo
• Bioimpresión de tejido cartilaginoso
• Bioimpresión de tejido cardíaco

¿Qué es la bioimpresión 3D de tejidos y órganos?

Bioimpresión de tejido cutáneo

La piel humana es compleja con estructuras accesorias como glándulas sebáceas, glándulas sudoríparas, cabello y uñas. También tiene diferentes tipos de células y terminaciones nerviosas. El tejido de colágeno es responsable de la elasticidad de la piel.

La bioimpresión 3D puede imprimir la piel humana, lo que implica darle las propiedades mecánicas necesarias creando todas sus propiedades en cuatro pasos. La primera fase es preparatoria, en la que obtienes células madre de la piel a partir de una biopsia y las extiendes en un cultivo para hacer la biotinta.

El segundo paso es la impresión real, seguida del procesamiento posterior, donde las células aumentarán y madurarán.

Finalmente, caracterizas y evalúas la función del tejido de la piel. Por lo tanto, la bioimpresión del tejido de la piel será de gran ayuda para las personas que tienen cáncer de piel o enfermedades de la piel, quemaduras y problemas con el envejecimiento y las arrugas de la piel.

Bioimpresión de tejido cardíaco

Los trastornos cardiovasculares han seguido causando la muerte de muchas personas. Las afecciones cardíacas comunes incluyen paro cardíaco, infarto de miocardio, insuficiencia cardíaca, angina de pecho, cardiomiopatía, etc. Además, las arterias y las venas han mostrado afecciones crónicas como la estenosis.

La triste noticia es que los cardiomiocitos son insustituibles ya que carecen de un proceso de autorregeneración o reparación. Su muerte continua aumenta el crecimiento del tejido de colágeno, lo que aumenta el riesgo de cardiomiopatía. Con estas condiciones, es difícil conseguir un donante cardíaco.

Pero con la bioimpresión 3D, estas condiciones de salud serán manejables. La bioimpresión de tejido cardíaco es un desafío debido a la complejidad del músculo cardíaco, especialmente para lograr su naturaleza autorrítmica.

Bioimpresión de tejido cartilaginoso

El cartílago es un tejido blanco liso que cubre los extremos de los huesos. Es una estructura compleja hecha de proteoglicanos, colágeno y proteínas.

Sus características sobresalientes son que el tejido cartilaginoso es avascular, y los sistemas nervioso y linfático no lo alcanzan tan bien.

Por lo tanto, una vez que se lastima o causa un trauma continuo, puede terminar con osteoartritis o discapacidad. Actualmente, la ingeniería de tejidos considera distribuir esos factores biológicos mediante el depósito de polietileno y condrocitos en la bioimpresión de tejido de cartílago.

Bioimpresión de tejido óseo

El tejido óseo es un tejido altamente vascularizado y estructuralmente complejo. Las fracturas óseas y osteodegenerativas pueden provocar lesiones y traumatismos que provoquen una disfunción del tejido óseo o un defecto óseo crónico.

Estas disfunciones y defectos requieren una regeneración ósea que puede ayudar a restaurar el tejido óseo dañado.

La ingeniería de tejido óseo utiliza hidrogeles. Sin embargo, los hidrogeles son incapaces de formar una matriz ósea mineralizada.

Por lo tanto, la bioimpresión de tejido óseo promete mejores resultados en la química controlable y el mantenimiento de la forma de la integridad del tejido.

¿Qué material se puede utilizar en la bioimpresión?

La tinta debe poseer las propiedades bioquímicas deseadas, lo que ayudará a depositarla en los patrones especificados. ¿Por qué?

Porque la bio-tinta facilita las interacciones de la matriz extracelular y la proliferación y el crecimiento celular. Además, la tinta debe ser biocompatible para soportar la morfología del tejido deseado.

Para la bioimpresión de tejidos cardíacos y de la piel, necesitará una biotinta similar. Puedes elegir polímeros naturales como colágeno, gelatina, alginato o ácido hialurónico.

Si prefiere polímeros sintéticos, puede elegir ácido poliláctico-co-glicólico, policaprolactona, polietilenglicol. Además, puede elegir una combinación de biomateriales sintéticos y naturales.

Al seleccionar biotinta de tejido óseo, tenga en cuenta la especialización celular, la funcionalidad y la citocompatibilidad.

Puedes usar gelatina, hidroxiapatita; Gelatina para la fase preparatoria e hidroxiapatita para ayudar a que la construcción del tejido impreso imite el tejido óseo natural.

Resumir

La bioimpresión 3D es una herramienta que promete revolucionar la medicina tal como la conocemos. Desde la ingeniería de tejidos cardíacos hasta las estructuras impresas de tejido óseo, la impresión 3D ayudará a enfrentar los tremendos desafíos en la salud humana.

En conclusión, estas aplicaciones de ingeniería tisular en tejido blando cardiaco, vasos sanguíneos, tejido cartilaginoso, etc., ayudarán a solucionar las listas de espera para donaciones y mejorar la salud.

Prevemos migrar muy pronto de la biología celular convencional a la medicina avanzada con tejidos y órganos tridimensionales.