Impresión 3D biológica: definición, historia, mecanismos y tipos clave

La impresión 3D biológica representa un conjunto de tecnologías en fase temprana. Estos campos de investigación examinan el uso de materiales biológicos para imprimir implantes funcionales y dispositivos de prueba que simulan, estimulan o replican tejidos reales, ya sea para implantes en pacientes o herramientas de investigación. Aunque estas tecnologías se encuentran en una etapa muy incipiente, muestran el potencial de provocar cambios de paradigma en las intervenciones médicas con implicaciones dramáticas y de gran alcance.

¿Qué es la impresión 3D biológica?

La impresión 3D biológica es el uso de materiales biológicos y biofuncionales en la fabricación aditiva. Se emplean impresoras altamente especializadas para crear estructuras tridimensionales compuestas por estos materiales biológicos. Algunos ejemplos son: células vivas, materiales de andamiaje o marco bioactivos y biomoléculas. El proceso utiliza métodos típicos de impresión 3D para depositar el material biológico capa por capa, resultando en construcciones que imitan, enmarcan y sustituyen tejidos para diversos fines médicos.

El objetivo de esta impresión 3D biológica es la fabricación de constructos de tejido altamente funcionales y complejos, y eventualmente órganos. Estos se utilizan para fines médicos como implantes en pacientes, pruebas de fármacos y modelado de patologías. Esta tecnología opera actualmente en niveles bastante primitivos. Sin embargo, el progreso de la investigación sugiere que revolucionará la atención sanitaria al permitir la fabricación personalizada de órganos funcionalmente similares (o superiores) a los tejidos naturales que replican.

¿Cuándo comenzó la impresión 3D biológica?

No existe un único momento en que las tecnologías e investigaciones que han dado lugar a la impresión 3D biológica irrumpieran repentinamente en soluciones para pacientes. No obstante, varios hitos significativos destacan como fundamentales para definir los cimientos de esta tecnología. Gabor Forgacs observó que las células podían organizarse en estructuras espaciales "nuevas" y que se combinaban y retenían la estructura indefinidamente. Este entendimiento fue clave para la construcción 3D de estructuras biológicas, ya que demostró que podían inducirse a retener una forma.

Los materiales biocompatibles comenzaron a usarse en soluciones de salud regenerativa 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 del paciente e implantaron sin rechazo ni fármacos inmunosupresores. Resultaron estables a largo plazo. En 2002, la tecnología de bioextrusión fue reportada por Landers y comercializada como "3D-Bioplotter". Wilson y Boland usaron una impresora de inyección de tinta HP modificada como bioprinter en 2003 y, en 2004, desarrollaron la bioprinting con células cargadas usando una impresora SLA comercial para construir andamios.

¿Cómo funciona la impresión 3D biológica?

El proceso de impresión 3D biológica generalmente consta de estos pasos:

1. Crear un diseño 3D de los tejidos u órganos que se imprimirán. Herramientas como BioPrint Pro de Allevi 3D están evolucionando rápidamente.
2. Seleccionar la bio-tinta ideal. El material usado en la impresión 3D contiene materiales como: proteínas y factores de crecimiento en resinas fotocurables biocompatibles. Son materiales listos para usar, preparados para imprimir en equipos de bioprinting SLA inadecuados. Antes de imprimir, deben infundirse con células cultivadas del paciente que serán estimuladas para "crecer" el órgano.
3. La bioprinter construye el modelo según el diseño, procesándolo mediante software de laminado estándar. Las bio-tintas se formulan para diversos métodos de producción, como extrusión, inyección de tinta e impresión SLA. La bio-tinta depositada se fusiona para formar una estructura porosa, lista para la maduración celular.
4. La estructura impresa se cura a una forma más estable y entrecruzada mediante diversos procesos, adaptados a tipos particulares de bio-tinta.
5. Tras el entrecruzamiento, el material impreso se incuba en un biorreactor. El tejido/órgano impreso se tratará como un organismo vivo en este proceso, para optimizar su desarrollo.

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

¿Cuál es la importancia de la impresión 3D biológica?

El uso creciente de la bioprinting en todas las áreas de la atención al paciente, desarrollo de fármacos e investigación es resultado del desarrollo de un kit de herramientas cada vez más potente. Esta es la etapa inicial de lo que probablemente se convierta en la fabricación de tejidos y órganos de reemplazo completos. La capacidad de construir órganos a medida para implantes quirúrgicos está a punto de revolucionar todo el sector médico. Permite tratamientos al paciente con sus propios tejidos inducidos a generar nuevos trasplantes perfectos y "reales" con riesgo mínimo o nulo de rechazo. La Figura 1 muestra un ejemplo de un órgano bioprinted:

Imagen: Órgano bioprinted en 3D. Crédito: Shutterstock.com/guteksk7

¿Cuál es el propósito de la impresión 3D biológica?

La bioprinting es el proceso de entregar andamios listos para incubación, poblados con células del paciente, que pueden incubarse y nutrirse para convertirse en órganos de reemplazo. Es un paso clave e irremplazable para proporcionar tejidos y órganos trasplantables listos para el paciente, que su sistema inmunitario reconocerá como "propios".

¿Cuáles son los diferentes tipos de impresión 3D biológica?

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

1. Bioprinting basado en inyección de tinta

El bioprinting basado en inyección de tinta utiliza impresión de inyección de tinta específicamente modificada para colocar células vivas y biomateriales sobre un constructo 3D estereolitográfico para construir estructuras biológicas —tejidos y órganos. El cabezal de impresión dispensa bio-tinta que contiene células del paciente y medios de soporte biológico, entregando una "imagen" de cada capa en el diseño 3D, construida sobre la capa anterior. Estas bio-tintas contienen elementos curados por UV o endurecidos por calor que integran y unen cada capa a la inferior. De este modo, los tejidos según el diseño se disponen en una estructura 3D que luego puede incubarse hasta su madurez.

El bioprinting basado en inyección de tinta ofrece alta resolución, alta velocidad y es adecuado para aplicar múltiples tipos de células o biomateriales en una sola impresión. Aunque aún no es mainstream, esta tecnología es un método experimental clave en ingeniería de tejidos para medicina regenerativa e de implantes y también en pruebas de fármacos.

2. Bioprinting asistido por presión

El bioprinting asistido por presión utiliza una entrega neumática o hidráulica de finas gotas de bio-tinta sobre una plataforma de construcción. Esto construye los tejidos según el diseño, en un proceso capa por capa. Cuando se deposita la capa de bio-tinta, se cura mediante exposición a luz ultravioleta o cambio de temperatura. Este proceso ayuda a crear una estructura integral que puede incubarse para madurar los tejidos listos para paciente (o prueba de investigación). Este proceso es más simple en muchos aspectos que las alternativas. Permite la colocación de células mixtas, para una mimética más cercana de tejidos reales. La resolución es menor, al ser basada en gotas extruidas. En muchos casos, esto es una pequeña desventaja para un método de construcción de tejidos por lo demás potente.

3. Bioprinting asistido por láser

El bioprinting asistido por láser utiliza un láser para transferir y depositar con precisión células vivas o biomateriales sobre una plataforma de construcción. Crea las estructuras biológicas 3D deseadas, como tejidos y órganos. El haz láser evapora el material de sustrato en una cinta de transferencia cargada de bio-tinta. Esto hace que el sustrato se evapore instantáneamente y expulse la bio-tinta sobre la construcción. Esto deposita gotas precisas de bio-tinta sobre la capa de construcción capa por capa para crear la estructura 3D deseada. Es una simulación cercana de la impresión de burbujas.

El bioprinting basado en láser ofrece varios beneficios sobre otras técnicas de impresión 3D, incluyendo control de alta precisión sobre la colocación celular, capacidad de imprimir con alta resolución y uso de una gama de biomateriales, incluidos aquellos con composiciones más complejas. El exceso de potencia láser puede resultar en daño celular, y la técnica está mal equipada para entregar altas densidades celulares.

¿Cuáles son los diferentes enfoques de la impresión 3D biológica?

Los diferentes enfoques de la impresión 3D biológica se enumeran a continuación:

1. Biomímesis

La biomímesis utiliza procesos y materiales de tejidos naturales para resolver problemas estructurales y funcionales de la bioprinting. La biomímesis puede crear métodos más efectivos para producir tejidos y órganos biológicos estrechamente análogos. El uso de materiales de matriz extracelular (MEC) naturales para crear andamios para ingeniería de tejidos es una forma de biomímesis. La MEC proporciona soporte estructural a las células. El uso de materiales de MEC naturales como colágeno y ácido hialurónico puede mejorar la integridad estructural y funcionalidad de los resultados de tejidos impresos.

El uso de bio-tintas que contienen materiales no naturales que imitan las propiedades de tejidos naturales, como rigidez, elasticidad y adhesión celular, puede ayudar a crear tejidos impresos con mejor funcionamiento. Algunos investigadores están explorando métodos de impresión 3D que imitan la forma en que las arañas tejen telas para crear propiedades más complejas y 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 necesidad de manipulación/colocación directa. Este enfoque busca imitar la forma en que las células se ensamblan naturalmente en el crecimiento normal de tejidos. Las células del paciente se mezclan con una bio-tinta que contiene un material gel que puede moldearse en la forma requerida. Las células y la bio-tinta se incuban entonces para permitir que ocurra la autoorganización. Esto forma estructuras de tejido u órgano más cercanas a la naturaleza. Este enfoque difiere de los métodos tradicionales de bioprinting, en los que las células se colocan precisamente en un patrón predeterminado para crear una estructura.

El bioprinting de autoensamblaje autónomo tiene grandes ventajas sobre el bioprinting tradicional si se puede lograr de forma repetible y predecible. Por ejemplo, permite la creación de estructuras de tejido más complejas y realistas movilizando procesos morfogenéticos del desarrollo. Eliminar la necesidad de manipulación externa reduce el daño celular que puede ser una barrera en la bioprinting.

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 significativa en bioprinting, ya que tiene el potencial de provocar otra revolución en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa.

3. Mini-tejidos

Los mini-tejidos (o microtejidos) son estructuras celulares tridimensionales limitadas. Se utilizan en descubrimiento de fármacos, pruebas de toxicidad e ingeniería de tejidos —y específicamente no como implantes para pacientes. Se imprimen por los métodos generalmente usados: bio-tintas normales cargadas con células vivas. La creación de mini-tejidos ofrece ventajas sobre los cultivos celulares 2D tradicionales en placas de Petri. Al imitar más de cerca la complejidad de los tejidos naturales, ofrecen resultados más realistas para pruebas de fármacos y cribado 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 impresión 3D biológica?

La bioprinting 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 técnicas y materiales alternativos se desarrollan constantemente:

1. Pre-bioprinting

El proceso de pre-bioprinting consta de varios pasos que deben ser exactos —los márgenes de varianza y error son mínimos si el resultado ha de ser una estructura de tejido útil. El primer paso es conceptualizar y especificar la estructura deseada. Esto definirá la forma, tamaño y propiedades físicas generales del tejido y los tipos de células y materiales de soporte/nutrientes que se usarán. Con el esquema de la estructura definido, se usan herramientas CAD especializadas para crear un modelo 3D altamente detallado de la estructura. Se selecciona o crea una bio-tinta apropiada, conteniendo la mezcla estructural, de endurecimiento y nutrientes apropiada para los tejidos a cultivar. La selección y cultivo celular in vitro es el paso más delicado, involucrando incubar y fomentar la reproducción de células en un medio de cultivo bajo condiciones estrictamente controladas, para asegurar su viabilidad y suficiencia.

2. Bioprinting

El bioprinting es el paso de realización final que toma el trabajo fundacional y construye la muestra de tejido requerida. Está lista para incubación y los usos planificados para evaluación de fármacos, pruebas de toxicidad o implante en paciente. La muestra de tejido se construye ya sea por métodos estereolitográficos o por la autoorganización diseñada en el plan.

3. Post-bioprinting

Tras el bioprinting, hay varios pasos críticos de procesamiento que aseguran la función y viabilidad del tejido construido. Primero, el material de matriz impresa debe entrecruzarse para crear una estructura robusta y estable. Hay varios métodos disponibles, típicamente curado UV, tratamiento térmico y agentes químicos aplicados externamente. La maduración/incubación permite entonces que las células se dividan y diferencien. Se requieren condiciones ambientales estrictamente controladas para que esto proceda. Durante la maduración, y de nuevo una vez madurada, se evalúa la viabilidad de las células para asegurar que realizan sus funciones previstas. Tras la maduración, el tejido construido se caracteriza para determinar su carácter físico, biológico y bioquímico. Este proceso usa técnicas como histología o inmunohistoquímica para evaluar el comportamiento del tejido. Finalmente, el tejido bioprinted se probará para asegurar que funciona como se espera. Hay una amplia gama de pruebas posibles, adaptadas a tipos de tejido particulares.

¿Cuáles son las aplicaciones de la impresión 3D biológica?

La bioprinting tiene una lista creciente de aplicaciones, pero las principales funciones que sirve en este momento son:

1. Evaluación del rendimiento de fármacos y reacciones adversas.
2. Pruebas de toxicología.
3. Implante en paciente.

¿Cuáles son los beneficios de la impresión 3D biológica?

La bioprinting es un potente conjunto de técnicas que permite capacidades cada vez más poderosas en la mayoría de áreas de la atención sanitaria, desarrollo de fármacos, medio ambiente y pruebas de toxicidad. A continuación se enumeran algunos de sus beneficios:

1. Permite la construcción precisa de estructuras de tejido complejas.
2. Puede usarse para crear modelos 3D de órganos para pruebas de fármacos. Esto permite pruebas más rápidas y menos restringidas éticamente de formulaciones farmacéuticas.
3. Reduce la necesidad de pruebas en animales.
4. Puede crear implantes personalizados, adaptados a las necesidades específicas de un paciente.
5. Puede construir tejidos y órganos vivos para trasplante, aunque esta capacidad se limita a estructuras simples por ahora. Estos se construirán a partir de las células del paciente, por lo que se ha demostrado que el rechazo es mínimo.

¿Cuáles son las limitaciones de la impresión 3D biológica?

La bioprinting tiene limitaciones severas que son objeto de investigación extensiva, incluyendo:

1. No puede imprimir actualmente tejidos y órganos complejos con varios tipos de células, vasos sanguíneos y nervios.
2. Los materiales de bioprinting son caros y difíciles de producir.
3. La mecánica de los procesos de impresión a menudo daña o destruye células. Esto limita la viabilidad de los tejidos impresos.
4. Todavía es una tecnología cara y basada intensivamente en laboratorio. Usa equipos costosos y requiere habilidades extraordinarias.
5. Aún no existen estándares ni guías ampliamente aceptadas. La evaluación de resultados entre métodos y grupos de investigación es desafiante.

¿Cómo impulsa la impresión 3D biológica la innovación en la industria médica?

La bioprinting está destinada a convertirse en la herramienta principal de cirugía regenerativa para un amplio espectro de enfermedades degenerativas y condiciones fisiológicas. Imprimir un nuevo corazón funcional para reemplazar el dañado de un paciente sigue siendo una perspectiva lejana, pero los primeros bloques de construcción están en su lugar. Ahora mismo, la bioprinting está acortando y reduciendo el coste de los ciclos de evaluación y certificación de fármacos. Reduce las barreras de entrada al mercado para fármacos novedosos.

¿Qué tipo de impresión 3D es la bioprinting?

La bioprinting se basa generalmente en métodos estereolitográficos, construyendo tejidos capa por capa desde un archivo 3D. La próxima revolución probablemente moverá esto más hacia la autoorganización, al menos en la distribución y posicionamiento celular.

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

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

No, la impresión 3D y la impresión 3D biológica no son lo mismo, pero hay áreas de similitud. Algunas de las herramientas usadas en bioprinting son intercambiables con las del sector de prototipado rápido. Sin embargo, la divergencia entre los dos sectores es clara y está destinada a aumentar rápidamente. La bioprinting está superando rápidamente las limitaciones de complejidad del sector de prototipado rápido, ya que los investigadores buscan producir resultados cada vez más complejos y de mayor funcionamiento.

Resumen

Este artículo presentó la impresión 3D biológica, la explicó y discutió sus diversos tipos y aplicaciones. Para saber más sobre impresión 3D en otras industrias, contacte a un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements es graduado en Ingeniería Mecánica con honores y más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye roles significativos en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló una profunda comprensión de los procesos e innovaciones de ingeniería.

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