Explicación de la bioimpresión 3D:definición, historia, mecanismos y tipos clave

La bioimpresión 3D representa un grupo de tecnologías en etapa inicial. Estos campos de investigación examinan el uso de materiales biológicos en la impresión de implantes funcionales y dispositivos de prueba que simulan, estimulan o replican tejidos reales, ya sea para implantes de pacientes o herramientas de investigación. Si bien estas tecnologías se encuentran en una etapa muy temprana, prometen cambios de paradigma en las intervenciones médicas que tienen implicaciones dramáticas y de largo alcance.

Este artículo discutirá:¿Qué es la bioimpresión 3D? , su historia, cómo funciona y sus tipos.

¿Qué se entiende por bioimpresión 3D?

La bioimpresión 3D es el uso de materiales biológicos y biofuncionales en la fabricación aditiva. Se utilizan impresoras altamente especializadas para crear estructuras 3D a partir de estos materiales biológicos. Algunos ejemplos son:células vivas, materiales de estructura o andamio bioactivos y biomoléculas. El proceso utiliza métodos típicos de impresión 3D para depositar el material biológico en capas, lo que da como resultado construcciones biológicas, estructuras y sustitutos para diversos fines médicos.

El propósito de esta bioimpresión 3D es la fabricación de construcciones de tejidos complejas y altamente funcionales y, eventualmente, de órganos. Se utilizan con fines médicos, como implantación de pacientes, pruebas de fármacos y modelado de patología. Esta tecnología funciona actualmente a niveles bastante primitivos. Sin embargo, en términos de tejidos funcionales, el progreso de la investigación sugiere que revolucionará la atención médica al permitir la fabricación personalizada de órganos que son funcionalmente similares (o mejores) a los tejidos naturales que replican.

¿Cuándo comenzó la bioimpresión 3D?

No hay un solo momento en el que las tecnologías y la investigación que han dado lugar a la bioimpresión 3D de repente se hayan convertido en soluciones para los pacientes. Sin embargo, varios acontecimientos importantes destacan como fundamentales para definir los fundamentos de esta tecnología. Gabor Forgacs observó que las células podían organizarse en “nuevas” estructuras espaciales y que se combinarían y mantendrían la estructura indefinidamente. Esta comprensión fue posteriormente clave para la construcción 3D de estructuras biológicas, ya que enseñó que se podía inducir a estas a conservar una forma.

Los materiales biocompatibles comenzaron a utilizarse en soluciones sanitarias regenerativas alrededor del año 2000. Esto condujo directamente a la construcción de andamios espaciales, desarrollados en la Universidad Wake Forest. Los andamios se colonizaron con células cultivadas de pacientes y se implantaron sin rechazo ni fármacos inmunosupresores. Estos resultaron ser estables a largo plazo. En 2002, Landers informó sobre la tecnología de bioextrusión y la comercializó como "3D-Bioplotter". Wilson y Boland utilizaron una impresora de inyección de tinta HP modificada como bioimpresora en 2003 y luego, en 2004, desarrollaron la bioimpresión cargada de células con una impresora SLA comercial para construir andamios.

¿Cómo funciona la bioimpresión 3D?

El proceso de bioimpresión 3D generalmente consta de estos pasos:

1. Cree un diseño 3D de los tejidos u órganos que se imprimirán. Herramientas como BioPrint Pro de Allevi 3D se están desarrollando rápidamente.
2. Seleccione la biotinta ideal. El material utilizado en la impresión 3D contiene materiales como:proteínas y factores de crecimiento en resinas fotocuradas biocompatibles. Estos son materiales disponibles en el mercado, listos para imprimir equipos de bioimpresión SLA inapropiados. Antes de imprimir, se les debe infundir células cultivadas del paciente que serán estimuladas para "hacer crecer" el órgano.
3. La bioimpresora construye el modelo según lo diseñado y lo procesa a través de un software de corte estándar. Las biotintas están formuladas para diversos métodos de producción, como extrusión, inyección de tinta e impresión SLA. La biotinta depositada se fusiona para formar una estructura porosa, lista para la maduración celular.
4. La estructura impresa se cura hasta obtener una forma más estable y reticulada mediante una variedad de procesos, adecuados para tipos particulares de biotinta.
5. Después de la reticulación, el material impreso se incuba en un biorreactor. El tejido/órgano impreso será tratado como un ser vivo en este proceso, para optimizar su desarrollo.

Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Cómo funcionan las impresoras 3D.

¿Cuál es la importancia de la bioimpresión 3D?

El uso cada vez mayor de la bioimpresión en todas las áreas de la atención al paciente, el desarrollo de fármacos y la investigación es el resultado del desarrollo de un conjunto de herramientas cada vez más potente. Esta es la etapa inicial de lo que probablemente se convertirá en la fabricación de tejidos y órganos de reemplazo completo. La capacidad de crear nuevos órganos personalizados para implantes quirúrgicos está a punto de revolucionar todo el sector médico. Permite tratamientos de pacientes con tejidos del paciente inducidos para realizar trasplantes nuevos, perfectos y "reales" con poco o ningún riesgo de rechazo. La figura 1 es un ejemplo de un órgano bioimpreso:

Órgano bioimpreso en 3D.

Crédito de la imagen:Shutterstock.com/guteksk7

¿Cuál es el propósito de la bioimpresión 3D?

La bioimpresión es el proceso de entregar andamios llenos de células de pacientes, listos para la incubación, que pueden incubarse y nutrirse para convertirse en órganos de reemplazo. Es un paso clave e irreemplazable para entregar al paciente tejidos y órganos trasplantables listos para que el sistema inmunológico del paciente reconozca como “propios”. 

¿Cuáles son los diferentes tipos de bioimpresión 3D?

La bioimpresión se ha desarrollado en tres vertientes distintas, cada una con sus dificultades y beneficios:

1. Bioimpresión basada en inyección de tinta

La bioimpresión basada en inyección de tinta utiliza impresión de inyección de tinta específicamente modificada para colocar células vivas y biomateriales en una construcción estereolitográfica 3D para construir estructuras biológicas:tejidos y órganos. El cabezal de impresión dispensa biotinta que contiene células de pacientes y medios de soporte biológico, entregando una "imagen" de cada corte en el diseño 3D, construido sobre la capa anterior. Estas biotintas contienen elementos curados con luz ultravioleta o endurecidos por calor que integran y unen cada capa a la siguiente. De esta manera, los tejidos diseñados se disponen en una estructura 3D que luego se puede incubar hasta la madurez.

La bioimpresión basada en inyección de tinta es de alta resolución, alta velocidad y adecuada para aplicar múltiples tipos de células o biomateriales en una sola impresión. Aunque todavía está lejos de ser popular, esta tecnología es un método experimental clave en ingeniería de tejidos para medicina regenerativa e implantológica y también en pruebas de fármacos.

2. Bioimpresión asistida por presión

La bioimpresión asistida por presión utiliza una entrega neumática o hidráulica de finas gotas de biotinta sobre una plataforma de construcción. Esto construye los tejidos según lo diseñado, en un proceso capa por capa. Cuando se deposita la capa de biotinta, se cura mediante exposición a luz ultravioleta o cambios de temperatura. Este proceso ayuda a crear una estructura integral que se puede incubar para madurar los tejidos listos para el paciente (o para la prueba de investigación). Este proceso es más sencillo en muchos aspectos que las alternativas. Permite la colocación de células mixtas, para una imitación más cercana de los tejidos reales. La resolución es menor y se basa en gotas extruidas. En muchos casos, esto es una pequeña desventaja para un método de construcción de tejido que de otra manera sería poderoso.

3. Bioimpresión asistida por láser

La bioimpresión asistida por láser utiliza un láser para transferir y depositar con precisión células vivas o biomateriales en una plataforma de construcción. Crea las estructuras biológicas 3D deseadas, como tejidos y órganos. El rayo láser evapora el material del sustrato en una cinta de transferencia cargada con biotinta. Esto hace que el sustrato se evapore instantáneamente y expulse la biotinta sobre la construcción. Esto deposita gotas precisas de biotinta sobre la construcción capa por capa para crear la estructura 3D deseada. Esta es una simulación cercana de la impresión por chorro de burbujas.

La bioimpresión basada en láser ofrece varios beneficios sobre otras técnicas de impresión 3D, incluido el control de alta precisión sobre la ubicación de las células, la capacidad de imprimir con alta resolución y la capacidad de utilizar una variedad de biomateriales, incluidos aquellos con composiciones más complejas. El exceso de potencia del láser puede provocar daños celulares y la técnica no está bien equipada para generar altas densidades celulares.

¿Cuáles son los diferentes enfoques de bioimpresión 3D?

Los diferentes enfoques de bioimpresión 3D se enumeran a continuación:

1. Biomímesis

La biomímesis utiliza procesos y materiales de tejidos naturales para resolver problemas de bioimpresión estructurales y funcionales. La biomímesis puede crear métodos más eficaces para producir tejidos y órganos biológicos muy análogos. El uso de materiales de matriz extracelular natural (MEC) para crear estructuras para la ingeniería de tejidos es una forma de biomimetismo. ECM proporciona soporte estructural a las células. El uso de materiales ECM naturales como el colágeno y el ácido hialurónico puede mejorar la integridad estructural y la funcionalidad de los resultados del tejido impreso.

El uso de biotintas que contienen materiales no naturales que imitan las propiedades de los tejidos naturales, como rigidez, elasticidad y adhesión celular, puede ayudar a crear tejidos impresos que funcionen mejor. Algunos investigadores están explorando métodos de impresión 3D que imitan la forma en que las arañas tejen sus telas para crear propiedades complejas y más típicas de la naturaleza en estructuras biológicas impresas.

2. Autoensamblaje Autónomo

El autoensamblaje autónomo busca permitir que las células se autoorganicen y formen las estructuras requeridas sin la necesidad de manipulación/colocación directa. Este enfoque busca imitar la forma en que las células se ensamblan naturalmente en el crecimiento normal de los tejidos. Las células del paciente se mezclan con una biotinta que contiene un material de gel que se puede moldear en la forma requerida. Luego, las células y la biotinta se incuban para permitir que se produzca la autoorganización. Esto forma estructuras de tejidos u órganos que están más cerca de la naturaleza. Este enfoque es diferente de los métodos tradicionales de bioimpresión, en los que las células se colocan con precisión en un patrón predeterminado para crear una estructura.

La bioimpresión autónoma de autoensamblaje tiene grandes ventajas sobre la bioimpresión tradicional si se puede lograr de forma repetible y predecible. Por ejemplo, permite la creación de estructuras tisulares más complejas y realistas mediante la movilización de procesos morfogenéticos del desarrollo. Eliminar la necesidad de manipulación externa reduce el daño celular que puede ser una barrera en la bioimpresión.

Los investigadores están desarrollando nuevos materiales y técnicas para guiar el proceso de autoensamblaje natural e intrínseco, para ofrecer un resultado más natural y de mayor funcionamiento. Esta es quizás el área de investigación más importante en bioimpresión, ya que tiene el potencial de provocar otra revolución en la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.

3. Mini-tejido

Los minitejidos (o microtejidos) son estructuras celulares tridimensionales limitadas. Estos se utilizan en el descubrimiento de fármacos, pruebas de toxicidad e ingeniería de tejidos, y específicamente no como implantes para pacientes. Se imprimen mediante los métodos más utilizados:biotintas normales mezcladas con células vivas. La creación de minitejidos ofrece ventajas sobre los cultivos celulares tradicionales en placas de Petri en 2D que se utilizan de otro modo. Al imitar más de cerca la complejidad de los tejidos naturales, ofrecen resultados más realistas para las pruebas de drogas y la detección de toxicidad. Los investigadores esperan ensamblar tejidos y órganos más grandes que potencialmente puedan usarse como implantes en pacientes imprimiendo pequeños bloques de construcción.

¿Cuáles son los pasos del proceso de bioimpresión 3D?

La bioimpresión es un proceso que requiere rigor y alto control en todos los aspectos. Cada paso a continuación es un área de intensa investigación, ya que constantemente se desarrollan técnicas y materiales alternativos:

1. Pre-Bioimpresión

El proceso previo a la bioimpresión consta de varios pasos que deben ser exactamente correctos:los márgenes de variación y error son mínimos para que el resultado sea una estructura de tejido útil. El primer paso es conceptualizar y especificar la estructura deseada. Esto definirá la forma, el tamaño y las propiedades físicas generales del tejido y los tipos de células y materiales de soporte/nutrientes que se utilizarán. Una vez definido el contorno de la estructura, se utilizan herramientas CAD especializadas para crear un modelo 3D muy detallado de la estructura. Luego se selecciona o crea una biotinta adecuada, que contiene la mezcla estructural, endurecedora y de nutrientes adecuada para los tejidos que se van a cultivar. La selección y el cultivo de células in vitro es el paso más delicado, que implica incubar y fomentar la reproducción de las células en un medio de cultivo en condiciones estrictamente controladas, para garantizar su viabilidad y suficiencia.

2. Bioimpresión

La bioimpresión es el paso final de realización que toma el trabajo fundamental y construye la muestra de tejido requerida. Está listo para la incubación y los usos planificados para la evaluación de medicamentos, pruebas de toxicidad o implantes en pacientes. La muestra de tejido se construye mediante métodos estereolitográficos o mediante la autoorganización que se diseñó en el plano.

3. Post-Bioimpresión

Después de la bioimpresión, existen varios pasos de procesamiento críticos que garantizan la función y viabilidad del tejido construido. En primer lugar, el material de la matriz impresa debe reticularse para crear una estructura robusta y estable. Hay varios métodos disponibles, normalmente curado por luz ultravioleta, tratamiento térmico y agentes químicos aplicados externamente. La maduración/incubación permite que las células se dividan y diferencien. Para que esto suceda se requieren condiciones ambientales estrictamente controladas. Durante la maduración, y nuevamente una vez maduradas, se evalúa la viabilidad de las células para garantizar que estén desempeñando las funciones previstas. Después de la maduración, el tejido construido se caracteriza para determinar su carácter físico, biológico y bioquímico. Este proceso utiliza técnicas como la histología o la inmunohistoquímica para evaluar el comportamiento del tejido. Finalmente, se probará el tejido bioimpreso para garantizar que funciona como se esperaba. Hay disponible una amplia gama de pruebas posibles, adecuadas para tipos de tejido concretos.

¿Cuáles son las aplicaciones de la bioimpresión 3D?

La bioimpresión tiene una lista cada vez mayor de aplicaciones, pero las principales funciones que cumple en este momento se enumeran a continuación:

1. Evaluación del rendimiento del fármaco y de reacciones adversas.
2. Pruebas toxicológicas.
3. Implante del paciente.

¿Cuáles son los beneficios de la bioimpresión 3D?

La bioimpresión es un poderoso conjunto de técnicas que está permitiendo capacidades cada vez más poderosas en la mayoría de las áreas de atención médica al paciente, desarrollo de fármacos, medio ambiente y pruebas de toxicidad. A continuación se enumeran algunos de sus beneficios:

1. Permite la construcción precisa de estructuras tisulares complejas.
2. Se puede utilizar para crear modelos 3D de órganos para pruebas de drogas. Esto permite realizar pruebas de formulaciones de medicamentos más rápidas y con menos restricciones éticas.
3. Reduce la necesidad de realizar pruebas con animales.
4. Puede crear implantes personalizados, adaptados a las necesidades específicas de un paciente.
5. Puede construir tejidos vivos y órganos para trasplantes, aunque esta capacidad todavía está limitada a estructuras simples. Estos se construirán a partir de células del paciente, por lo que se ha demostrado que el rechazo es mínimo.

¿Cuáles son las limitaciones de la bioimpresión 3D?

La bioimpresión tiene graves limitaciones que son objeto de extensas investigaciones, que incluyen:

1. Actualmente no se pueden imprimir tejidos y órganos complejos con varios tipos de células, vasos sanguíneos y nervios.
2. Los materiales de bioimpresión son caros y difíciles de producir.
3. La mecánica de los procesos de impresión a menudo daña o destruye las células. Esto limita la viabilidad de los tejidos impresos.
4. Sigue siendo una tecnología costosa y basada intensivamente en laboratorio. Utiliza equipos costosos y requiere habilidades extraordinarias.
5. Hasta el momento no existen estándares ni directrices ampliamente aceptadas. La evaluación de resultados entre métodos y grupos de investigación es un desafío.

¿Cómo impulsa la bioimpresión 3D la innovación en la industria médica?

La bioimpresión se convertirá en la principal herramienta de cirugía regenerativa para un amplio espectro de enfermedades degenerativas y condiciones fisiológicas. Imprimir un corazón nuevo y funcional para reemplazar el corazón dañado de un paciente aún es una perspectiva lejana, pero los primeros elementos básicos ya están en su lugar. En este momento, la bioimpresión está acortando y reduciendo el costo de los ciclos de evaluación y certificación de medicamentos. Reduce las barreras de entrada al mercado para nuevos productos farmacéuticos.

¿Qué tipo de impresión 3D es la bioimpresión?

La bioimpresión se basa generalmente en métodos estereolitográficos, construyendo tejidos capa por capa a partir de un archivo 3D. Es probable que la próxima revolución avance más hacia la autoorganización, al menos en la distribución y el posicionamiento celular.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre los 8 tipos de procesos de impresión 3D.

¿Son lo mismo la impresión 3D y la bioimpresión 3D?

No, la impresión 3D y la bioimpresión 3D no son lo mismo, pero existen áreas de similitud. Algunas de las herramientas utilizadas en la bioimpresión son intercambiables con las del sector de creación rápida de prototipos. Sin embargo, la divergencia entre los dos sectores es clara y aumentará rápidamente. La bioimpresión está superando rápidamente las limitaciones de complejidad del sector de creación rápida de prototipos, a medida que los investigadores buscan producir resultados cada vez más complejos y con mayor funcionamiento.

Resumen

Este artículo presentó la bioimpresión 3D, la explicó y analizó sus diversos tipos y aplicaciones. Para obtener más información sobre la impresión 3D en otras industrias, comuníquese con un representante de Xometry.

Xometry ofrece una amplia gama de capacidades de fabricación, incluida la impresión 3D y otros servicios de valor agregado para todas sus necesidades de producción y creación de prototipos. Visite nuestro sitio web para obtener más información o solicitar un presupuesto gratuito y sin compromiso.

Descargo de responsabilidad

El contenido que aparece en esta página web tiene fines únicamente informativos. Xometry no ofrece ninguna representación ni garantía de ningún tipo, ya sea expresa o implícita, en cuanto a la exactitud, integridad o validez de la información. No se debe inferir que ningún parámetro de rendimiento, tolerancias geométricas, características de diseño específicas, calidad y tipos de materiales o procesos representan lo que entregarán terceros proveedores o fabricantes a través de la red de Xometry. Los compradores que buscan cotizaciones de piezas son responsables de definir los requisitos específicos de esas piezas. Consulte nuestros términos y condiciones para obtener más información.

Dean McClements

Dean McClements se graduó con honores en Ingeniería Mecánica y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

Lea más artículos de Dean McClements