Bio
impresión 3D: importancia en la actualidad
Bio
3D printing: importance today
Cesar
Loo Gil
https://orcid.org/0000-0001-8396-5972
RESUMEN
El trasplante de órganos
y tejidos para ofrecer solución a heridas y deficiencias es un inconveniente
que con urgencia se debería intentar, puesto que todavía hay problemas en el
proceso, como la escasez de donantes y el peligro que provoca el rechazo inmunológico.
La implementación de órganos y tejidos artificiales indica una mejor calidad de
vida en los pacientes, no obstante, es necesario de una técnica de manufactura
que posibilite el desarrollo de construcciones complicadas. La técnica de
impresión 3D da solucionar las restricciones recientes en el desarrollo de
órganos y tejidos, debido a que posibilita integrar células en los
biomateriales para la regeneración de distintas construcciones biológicas. Esta
revisión resume los estudios más importantes y el avance en el desarrollo de
implantes, prótesis e ingeniería de tejidos por medio de impresión 3D, se
introduce a los diversos biomateriales empleados en la manufactura aditiva, así
como las múltiples técnicas de impresión usadas en aplicaciones biomédicas.
Palabras
clave: impresión 3D;
dispositivos médicos; biomateriales
ABSTRACT
The transplantation of organs and tissues to offer a
solution to wounds and deficiencies is an issue that should be urgently
attempted, since there are still problems in the process, such as the shortage
of donors and the danger caused by immunological rejection. The implementation
of artificial organs and tissues indicates a better quality of life for patients, however, a manufacturing technique is needed to
enable the development of complicated constructions. The 3D printing technique
provides a solution to recent restrictions in the development of organs and tissues, since it makes it possible to integrate cells into
biomaterials for the regeneration of different biological constructions. This
review summarizes the most important studies and progress in the development of
implants, prostheses and tissue engineering by means
of 3D printing, introduces the various biomaterials used in additive
manufacturing, as well as the multiple printing techniques used in biomedical
applications.
Keywords: 3D printing; medical devices; biomaterials
1.
INTRODUCCION
Las tecnologías de salud son primordiales para un sistema de
salud en adecuado manejo. Especialmente, los dispositivos doctores son
cruciales en la prevención, diagnóstico y procedimiento de patologías, así como
en la rehabilitación de pacientes. La demanda mundial de dispositivos doctores
experimenta un aumento constante en los últimos años impulsada por el
envejecimiento poblacional y el progreso tecnológico. Esta tendencia está
significando adelantos relevantes en el desarrollo de las biotintas y en la
optimización de las técnicas de deposición de estas.
Las biotintas se elaboran con una extensa gama de
materiales. Los dispositivos doctores tienen la posibilidad de agruparse en 2
gigantes conjuntos: a) esos en que para su preparación prescinden de células,
ejemplificando, las prótesis o órtesis y b) esos cuya preparación necesita que
se agreguen células. Generalmente, para la preparación de un dispositivo
doctor, las biotintas tienen que exponer ciertas características como la
función de procesarse a temperatura ambiente, que se logre imprimir rebordes y
tener un cierto nivel del control de la microestructura. En la literatura se
hallan revisiones acerca del estado de la técnica de preparación y
procesamiento de biotintas en los cuales se destaca la información relacionada
con la ingeniería de tejidos y medicina regenerativa.
Generalmente, las biotintas
están basadas en materiales poliméricos naturales y sintéticos; sin embargo,
Poologasundarampillai y Nommeots-Nomm en 2017 presentaron una discusión de los
materiales impresos en 3D con los que se elaboran implantes para reparación y
regeneración de tejidos en los que se incluían metales y cerámicos, además de
los polímeros. Por un lado, los materiales cerámicos, como el fosfato de
calcio, se imprimen a través del procesamiento de polvos, incluida la impresión
por Fusión Selectiva por Láser (selective laser melting, SLM)
presentan complicaciones derivadas de la química del aglutinante. Por otro
lado, los metales y sus aleaciones, que tradicionalmente son usados para la
elaboración de los dispositivos médicos como las Ti6Al4V,
acero inoxidable 316L, aleación CoCr, ven limitado su uso para impresión por
3D, debido a que las técnicas de procesamiento incluyen fusión de haz de
electrones (electron beam melting, EBM) además de SLM, las cuales
emplean equipos sofisticados y costosos. Los autores indicaron que los
materiales derivados de magnesio y hierro son candidatos potenciales para
elaborar dispositivos médicos implantables a partir de metales, ya que estos
materiales están diseñados para controlar la velocidad de su degradación; sin embargo,
la bioacumulación y la consiguiente toxicidad de los productos de la
degradación y la nueva interfaz formada después de la degradación aún deben
investigarse a fondo. Por lo anterior, el presente trabajo de revisión está
enfocado en los dispositivos médicos basados en materiales poliméricos.
De este
modo, Gopinathan y Noh analizaron los reportes de biotintas basadas en
polímeros utilizadas en la impresión 3D para aplicaciones en ingeniería de
tejidos y medicina regenerativa. Los autores enlistaron varios trabajos
recientes en los que se emplean biotintas elaboradas a partir de materiales
poliméricos naturales (agarosa, alginato, colágeno, ácido hialurónico, fibrina,
celulosa, seda, matriz extracelular) y polímeros sintéticos y establecieron que
la ingeniería de tejidos y medicina regenerativa, en particular, necesitan un
gran número de células específicas, lo que limita su uso en diferentes tejidos
y órganos. Mientras que el estado del arte de las propiedades de los
biomateriales poliméricos empleados como biotintas analizado por Mukherjee y
col. (2019) los llevó a deducir que la semejanza de los polímeros naturales con
la matriz extracelular es alta, por lo que producen una adecuada bioactividad;
mientras que los polímeros sintéticos aumentan la integridad mecánica en la
bioimpresión y eliminan las limitaciones de fabricación. Por otro lado, la
revisión de Ashammakhi y col. (2019) destaca avances importantes la elaboración
de biotintas heterogéneas para fabricar construcciones de tejido biomimético. Estos
autores han determinado que es importante desarrollar biotintas con la
propiedad de reducción de la viscosidad aparente con una tasa de cizallamiento
creciente y que además posea características biológicas deseadas para
diferentes aplicaciones de ingeniería de tejidos. Ya que, desafortunadamente,
la mayoría de los hidrogeles que se han utilizado para la bioimpresión 3D se
degradan en 3 semanas. Según Martins y col., el abordaje de este problema
incluye el uso de fibras de refuerzo o nanopartículas ya que aseguran que los andamios 3D
nanoestructurados imitan los entornos biológicos, con propiedades
fisicoquímicas mejoradas. Además, que son capaces de funcionalizarse para una
mejor respuesta celular.
Los
avances en imagenología médica y software de diseño 3D han proporcionado una
oportunidad sin precedentes para la atención al paciente mediante la impresión
de dispositivos médicos. La impresión 3D se basa en el principio de la
fabricación en capas, es decir, los materiales se superponen capa por capa hasta
formar el modelo deseado. Mediante esta tecnología se puede fabricar cualquier
estructura compleja con ayuda de un diseño asistido por computadora (CAD) o
tomografía computarizada (TC). Los métodos convencionales de trabajo con
máquinas y de fundición difícilmente crean una estructura tridimensional con
forma compleja, con porosidad controlada, distribución controlada de tamaño de
poros y de estructura inclinada; lo que sí es posible obtener mediante
impresión 3D. Además de la precisión de impresión, la tecnología 3D ofrece
velocidad y costos de fabricación reducidos, lo cual permite grandes avances en
una gran variedad de dispositivos
médicos (figura 1).
Figura
2 Esquema general de bioimpresión 3D, (-)
aplicaciones que pueden o no llevar células.
Por ello,
este proceso representa la manera más novedosa de fabricación de dispositivos
médicos. En la literatura se encuentran varios trabajos de revisión acerca de
las técnicas de impresión 3D (figura 2), también conocida como manufactura aditiva, para
desarrollar dispositivos biomédicos en las que predomina el enfoque hacia la
ingeniería de tejidos. La impresión 3D o fabricación aditiva de dispositivos
médicos es cada vez más común y la tecnología está transitando del laboratorio
al mercado, según lo presentado por Di Prima y col. en la revisión de la
perspectiva de las entidades regulatorias acerca del avance de esta tecnología
médica que no está exenta de las regulaciones y consideraciones técnicas
aplicables.
Figura
3 Gráfico de tendencia de diversas técnicas
de impresión 3D empleadas con frecuencia en aplicaciones biomédicas.
2.
METODOLOGÍA
La metodología utilizada
consta de búsqueda de información de paper, revistas, análisis de
aplicaciones actuales y páginas web especializadas para entender su
funcionamiento, el nivel de desarrollo obtenido en la actualidad y cuáles son
sus principales aplicaciones. Además, se emplean análisis de modelos
estratégicos acordes para analizar el atractivo de las industrias en la
adopción de la tecnología y así determinar a través de modelos de análisis
de negocio cuáles son las industrias en que tendrá mayor incidencia.
La búsqueda de la
información para la revisión de literatura se hizo consultando las siguientes
bases de datos como son Proquest, Scopus y Google Scholar para encontrar
revistas del más alto nivel científico. Asimismo, cabe mencionar que para la
realización de lo mencionado se emplearon también palabras clave como como Computación en
la nube, Contrato de servicios, Privacidad, ser humano.
Cada uno de estos
descriptores se combinaron entre sí durante la búsqueda utilizando los
operadores boléanos “and” y “or”. Además, algunos de los criterios o filtros
que se utilizaron para hacer muchos más específica la búsqueda y ser más
precisos con los documentos encontrados en las diferentes bases de datos consultadas
fueron: que sean artículos de revistas, y la antigüedad de la publicación
que no sea mayor a 5 años.
Toda la información previa
relacionada a los filtros aplicados y las especificaciones sirvieron como
criterios de inclusión, es decir que sean artículos publicados en revistas
científicas, que no excedan los cinco años de antigüedad, que la temática
guarde relación con las variables de creatividad artística y tiempos de
pandemia. Se excluyeron, en tanto, todos los documentos que no respetaran lo
postulado así como aquellos que estaban incompletos o que tenían enlaces
averiados.
3.
RESULTADOS Y DISCUSION
3.1
Impresión 3D
3.1.1 Nociones básicas
La impresión 3D (término
introducido a la terminología MeSH en 2015) se define como “un conjunto de
procesos usados para realizar un objeto físico tridimensional, también
conocido como «prototi- pado rápido»”. Esto se realiza mediante la aplicación
capa por capa de un material sólido a temperatura ambiente, con un punto de
fusión conocido con- trolado por un sistema computarizado para crear dicho
objeto.
Esta técnica fue
desarrollada originalmente para imprimir capas secuenciales finas de material,
seguido de un proceso de curado con luz ultravioleta para formar sólidas
estructuras tridimensionales al que se denominó “estereolitografía”, descrita
por primera vez en 1986 por Charles W. Hull. Con el transcurso de los años,
esta técnica ha evolucionado a pasos agigantados y se ha logrado volverla más
rápida y compleja.
La elaboración de objetos
mediante impresión 3D se realiza a partir de un archivo cuya base estructural
es un modelo tridimensional virtual viable, en el caso de su aplicación en
medicina, son requeridos los estudios de imagen de un paciente para crear un
molde a la medida. Un modelo no es sino la representación digital de lo que se
planea imprimir mediante algún programa computarizado para modelarlo.
En la actualidad existe una
amplia variedad de programas de cómputo especializados, útiles en este
proceso principalmente los de tipo CAD (computeraided design o diseño asistido por computadora) y los de tipo CAM (computeraided
manufacturing o fabricación asistida por
computadora) de uso extendido en el área de las ingenierías, ejecutables y modificables
en diversas plataformas como BLENDER® y AutoCAD®, los archivos resultantes son
utilizados como base en el diseño de diversos objetos compatibles con la
impresión en tercera dimensión.
Desde que fue posible
combinar impresión 3D con la tecnología tipo CAD/CAM, se ha intentado
fabricar estructuras tridimensionales biomiméticas (con imitación
anatomofuncional de un tejido) únicas del tejido u órgano que se desea
replicar, utilizando las imágenes médicas de los pacientes para intentar
preservar al máximo su anatomía. La resonancia magnética nuclear (RMN), la
tomografía axial computarizada (TAC) y otras imágenes radiográficas son las
principales fuentes para obtener información volumétrica tridimensional de
tejidos y órganos. La información obtenida mediante estos recursos se
almacenan en un archivo de imágenes digitales (archivo .DICOM, por sus
siglas en inglés) que después se utilizan para desarrollar el modelo CAD
mediante un proceso de ingeniería inversa. Así, este proceso transforma la
“anatomía analítica” en “anatomía sintética”.
Este tipo de archivos son,
por definición, un constructo tridimensional, virtual e intangible.
Actualmente la impresión 3D es una herramienta que nos permite, mediante un
programa de impresión especial, construir un modelo a partir de lo virtual a
lo tangible. Para esto es necesario convertir el diseño o modelo a un formato
o “idioma” conocido por la impresora con un archivo de extensión STL
(Stereolitography). A partir de este formato, la im- presora ejecuta los
comandos para la construcción de cualquier modelo, en coordenadas
milimétricas englobadas en el espacio de impresión conforme a los ejes X, Y y
Z (figura 2)
Figura 1.
Ejemplo de reconstrucción a partir de una TC de cráneo con cortes sagitales,
coronales y axiales en Invesalius© versión 3.1 que es un software libre de
ingeniería reversa que utiliza una secuencia de archivos 2D tipo DICOM para
generar volúmenes o superficies como archivos de mallas para crear modelos
físicos de la anatomía del paciente utilizando TFA. InVesalius fue
desarrollado en CTI (Centro de Tecnología de la Información Renato Ar- cher)
en 2007, un instituto de investigación del Centro de Ciencia y Tecnología de
Brasil y está disponible sin costo en la página de inicio del Portal de
Software Público. La licencia del software es CC-GPL 2.
La impresora
3D consiste esencialmente de un brazo robótico multieje o mejor conocido como
robot cartesiano (con 3 ejes X,Y,Z) con una boquilla extrusora, una fuente de
energía, y un sustrato para depositar el material fundido5.
En la
mayoría de los casos de impresión 3D se utilizan materiales termoplásticos,
que como su nombre lo indica, adquieren la forma semilíquida a temperaturas
mayores a los 120 oC, convirtiéndo- lo en un material fácilmente aplicable
mediante la boquilla extrusora que va depositando finas capas sobre una
plataforma hasta la construcción del mo- delo, que se endurece a medida que la
temperatura del material disminuye. Esta técnica permite utili- zar materiales
termoplásticos como el PLA (ácido poliláctico), ABS (acrilonitrilo butadieno
estireno), HDPE (polietileno de alta densidad), metales sinté- ticos, e inclusive
materiales comestibles o fármacos.
3.1.2
Aplicaciones de los modelos 3D en medicina
Hasta la
fecha existen más de 80 artículos indizados en PUBMED que indican las
distintas aplicaciones médicas de las impresiones 3D en la medicina, las cuales
pueden agruparse de forma general en 3 categorías:
Modelos anatómicos
Los modelos
3D pueden emplearse con fines educativos, tanto para pacientes como para
estudiantes, médicos en adiestramiento y cirujanos, y pueden jugar un papel
importante en el proceso de reconstrucción de casos quirúrgicos complejos.
Estos modelos asisten al cirujano en demostrar la complejidad de los casos al
paciente y a sus familiares, también son excelentes auxiliares para entender
la naturaleza del procedimiento por médicos en entrenamiento y especialistas.
Planeación preoperatoria
La
impresión 3D se ha introducido recientemente en el campo quirúrgico como una
herramienta para una mejor comprensión de cualquier anomalía subyacente
compleja. Esto puede mejorar y facilitar la calidad diagnóstica y ayudar en la
planificación prequirúrgica. Se ha demostrado su aplicación y be- neficio en
la cirugía craneofacial y maxilofacial. Los primeros estudios en cirugía ortopédica, neu-
rocirugía, cirugía de columna, cirugía cardiovascu- lar y cirugía
abdominal, demostraron una mejora significativa en el diagnóstico y
tratamiento debido a una mejor apreciación de la estructura afecta- da, mayor
precisión y posibilidad de una adecuada planificación previa13-18. Simular
todos los pasos quirúrgicos complicados por adelantado usando modelos
prototipo puede ayudar a prever complicaciones intra y postoperatorias. Esto
puede resultar en una reducción del tiempo cirugía que permite un uso
rentable de las salas19,20. El empleo de placas en las fracturas articulares
complejas, como las de acetábulo, osteotomías en displasia del desarrollo de
la cadera u osteotomías de alineación, son un claro ejemplo de su
utilización dado que permite la planeación del premoldeado de las placas de
osteosíntesis –incluso antes de esterilizarlas–, la selección del implante
ideal de acuerdo con sus dimensiones, la longitud de los tornillos, la
direccionalización y sitios de cuidado en su manejo.
Investigación médica
La
impresión 3D abre nuevas oportunidades para las actividades de investigación
científica, pudiendo ayudar a elucidar los procesos fisiológicos que aún no
se entienden completamente. La hemodinámica puede ser investigada, por
ejemplo, mediante RM
de
velocidad codificada o por mediciones de flujo óptico en modelos
transparentes.
3.1.3 Implantes
Si bien
la función de un implante es restablecer el funcionamiento de alguna estructura
biológica, actualmente también permite mejorar la estética gracias a la técnica
de impresión 3D. Puesto que dicha técnica no sólo permite adaptar el implante a
las necesidades del paciente, sino que lo vuelve único al desarrollarlo según
las condiciones anatómicas de quien lo requiere. Lo anterior se torna sumamente
importante en los implantes donde los resultados estéticos son notables, tal es
el caso de los implantes craneofaciales.
Los
implantes craneofaciales han evolucionado de manera acelerada en los últimos
años, pues a través la impresión 3D se han desarrollado implantes hechos a la
medida, permitiendo el tratamiento de secuelas de la extirpación tumoral y la
pérdida de tejido óseo. En al año 2017, Abdullah y col. evaluaron las
propiedades físicas y mecánicas de la poliamida 12 con zirconia y β-Fosfato
tricálcico (β-TCP), para su aplicación en reconstrucción craneofacial mediante
impresión 3D. La poliamida 12 presenta gran tenacidad, mientras que el β-TCP
mejora la adhesión celular y la proliferación debido a su similitud con el
hueso humano. El implante craneofacial depende de la condición anatómica del
paciente, además debe contar con características mecánicas adecuadas y una
superficie que permita la adhesión celular, la manufactura aditiva permite
obtener dichas condiciones en el implante.
En la
actualidad, los defectos cardíacos sean congénitos o no, representan un grave
problema para la sociedad. Puesto que el mal funcionamiento de las válvulas
cardíacas, las paredes del corazón o las venas y arterias que irrigan a dicho
órgano, puede provocar la interrupción total del flujo sanguíneo. Por tal
motivo, en el año 2018, Faletti y col., obtienen un anillo aórtico mediante
impresión 3D a partir de imágenes de tomografía computarizada cardiovascular
para el remplazo valvular aórtico. Los anillos aórticos se fabricaron mediante
la técnica de deposición fundida de filamentos de poliuretano (PU). El diámetro
del anillo aórtico medido en los modelos 3D mostró una concordancia adecuada
con la medición de los anillos de la tomografía computarizada cardiovascular.
La impresión 3D de anillos aórticos mediante tomografía computarizada
cardiovascular, ofrece información confiable y específica para cada caso
clínico. Un año más tarde, Sun y col., fabrican un oclusor biodegradable para
defectos cardiacos mediante la técnica de impresión tridimensional, con la
finalidad de evaluar su bioseguridad en un modelo animal. Se empleó como
biomaterial el copolímero PLLA-TMC-GA, permitiendo una adecuada impresión de
oclusores biodegradables para defectos cardiacos con una biocompatibilidad
adecuada.
Puesto
que la rodilla es la articulación más vulnerable del cuerpo humano, es
necesario el desarrollo de implantes que permitan restaurar su adecuado
funcionamiento, es decir, su movilidad sin padecer dolor. Sin embargo, uno de
los principales inconvenientes en el desarrollo de implantes de rodilla es la
susceptibilidad del material al desgaste. Por tal motivo, con frecuencia son
usados diversos compuestos poliméricos para la fabricación de implantes de
rodilla mediante manufactura aditiva. En el año 2018, Borges y col. emplean una
mezcla polimérica de policarbonato de uretano poroso (PCU) y polietileno de
ultra alto peso molecular (UHMWPE) para la fabricación de menisco artificial de
rodilla. Se encontró que es factible fabricar meniscos artificiales basados en
PCU/UHMWPE mediante impresión 3D.
La
técnica de impresión 3D también es empleada en el desarrollo de implantes
dentales, tal es el caso de Yan y col., que en el año 2019 desarrollan nuevos
rellenos dentales personalizados con acción terapéutica prolongada utilizando
la impresión 3D, esto debido a la alta incidencia de la caries dental. Se
obtuvieron moldes molares de PLA o ABS mediante escaneo 3D, los rellenos
dentales de Tinidazol (TNZ) fueron fabricados por prensado térmico utilizando
los moldes personalizados impresos en 3D. Los rellenos dentales desarrollados
fueron capaces de liberar Tinidazol durante una semana. La manufactura aditiva
se puede emplear para fabricar rellenos dentales con alta resistencia mecánica
y liberación de fármacos personalizada. Además de contar con un bajo costo y
con una gran variedad de materiales para la impresión 3D.
3.1.4 Prótesis
La impresión 3D promete transformar la forma convencional en que las
prótesis son desarrolladas, ya que posee un gran potencial de personalización,
bajo costo y una rápida fabricación. Esta técnica de manufactura permite el
desarrollo de prótesis de miembros superiores e inferiores con una adaptación
adecuada a la anatomía de cada paciente, prótesis con capacidad de liberar
fármacos e incluso prótesis con una estructura compleja como son las endoprótesis tubulares, es decir, los stents.
Prótesis de
miembros superiores e inferiores
El objetivo de una prótesis es suplir la forma anatómica del miembro
superior o inferior, así como facilitar la movilidad del paciente. Dicho
objetivo es fácil de lograr con la técnica de impresión 3D, pues permite que la
prótesis se adapte a cada caso clínico. En el año 2018, Alvial
y col., evalúan el rendimiento de dos prótesis de silicona impresas mediante la
tecnología de impresión 3D de un paciente con amputación parcial de la mano no
dominante. Se tomaron moldes de alginato y
tomografías computarizadas de la mano del paciente, luego, cada prótesis
candidata se modeló y posteriormente se fabricó utilizando una combinación de
piezas de silicona impresas en 3D. Se demostró que la fabricación de prótesis
impresas en 3D es una buena técnica para mejorar el tratamiento clínico de
pacientes con amputaciones parciales de la mano. Colombo y col. reportaron la
aplicación de un entorno asistido por computadora, llamado Socket Modelling Assistant 2 (SMA2), en
un paciente transfemoral, el cual consiste en la
implementación de un conjunto de reglas de diseño extrapoladas del proceso de
desarrollo tradicional de prótesis. Esto hace que el proceso de diseño sea más
confiable y repetible y, al mismo tiempo, lo suficientemente parecido al
proceso tradicional para ser aceptado por los protésicos.
Prótesis
orbitales
Si bien, el desarrollo de prótesis de miembros inferiores y superiores
mediante la tecnología de impresión 3D ha experimentado un gran auge en los
últimos años, Kim y col. en el año 2019 apuestan por las prótesis orbitales
personalizadas a través de la impresión tridimensional. La extirpación
quirúrgica del contenido ocular y orbital es inevitable en casos como tumores
orbitales malignos u oftalmía simpática, este último caso se trata de la
inflamación del conducto uveal que se produce en un ojo después de una lesión o
cirugía en el otro ojo. Por tal motivo, se utiliza una prótesis orbital para
reconstruir las características faciales de los pacientes cuya órbita se ha eliminado
parcial o totalmente. En dicho estudio se desarrolló un proceso personalizado
para la fabricación de prótesis orbitales mediante diseño asistido por
computadora (CAD) y la tecnología de impresión 3D. Se diseñó un molde para ser
impreso en 3D con una resina biocompatible, la
prótesis orbital se fabricó inyectando material de silicona también biocompatible en la cavidad del molde, cabe mencionar, que
los datos del rostro del paciente fueron escaneados mediante un escáner
portátil. Este método remplaza la mayoría de los pasos del proceso convencional
por un proceso rápido, preciso y además no daña el tejido del paciente, ya que
los métodos de fabricación tradicionales emplean alginato
para crear la impresión, causado molestias en el paciente.
Stents
El
tratamiento adecuado a la oclusión arterial es un problema contemporáneo.
Puesto que los stents establecidos incluyen stents metálicos y stents
liberadores de fármacos, sin embargo, las endoprótesis tubulares cargadas
directamente con el fármaco pueden causar una liberación no controlada del
mismo, además, de provocar reestenosis debido al andamio metálico del stent.
Por tal razón, un stent ideal tendría la capacidad de reducir la reestenosis,
degradarse completamente con el tiempo, ser un fuerte soporte vascular y
mantener la liberación de un medicamento durante el proceso de curación
vascular. Debido a las necesidades en la fabricación de stents anteriormente
mencionas, en el año 2015 Park y col. desarrollan un stent capaz de liberar
fármacos de forma controlada, basado en materiales biocompatibles y
biodegradables utilizando un sistema de impresión 3D. El andamio del stent fue
de policaprolactona (PCL) y fue recubierto con el fármaco sirolimus mezclado
con poli-lactida-co-glicolido (PLGA) y polietilenglicol (PEG). El stent
biodegradable y liberador de fármacos fue analizado y probado in vivo, y
demostró ser efectivo en experimentos con animales. Los resultados indicaron
que la cinética de liberación del fármaco sirolimos con el que fue recubierto
el stent, mostró un perfil de liberación sostenida. Además, los resultados
sugieren que el stent desarrollado es útil para tratar la trombosis y puede ser
un andamio prometedor. De igual manera, se demostró que la técnica de impresión
3D produce con éxito stents de estructura compleja y podría utilizarse para la
fabricación de stents liberadores de fármaco.
El
interés por el desarrollo de stents poliméricos ha experimentado un crecimiento
exponencial, pues cada vez más personas con obstrucción de arterias requieren stents
en sus vasos sanguíneos. Los stents comerciales presentan diversos
inconvenientes, por ejemplo, el stent de andamio metálico insertado en el
organismo humano no se puede extraer, lo cual provoca reestenosis, además,
causa dificultades en algunas inspecciones médicas, como en la obtención de
imágenes por resonancia magnética. Por tal motivo, se busca utilizar diversos
materiales poliméricos biodegradables en el desarrollo de stents para superar
las limitaciones que los stents con andamio metálico provocan. En el año 2019,
Park y col. desarrollan un stent polimérico biodegradable impreso mediante
tecnología 3D, con un sensor de presión inalámbrico integrado, diseñado para
aplicaciones avanzadas de monitoreo de la salud. En dicho estudio se fabricó un
stent basado en policaprolactona (PCL), con un recubrimiento de fármaco similar
al de los stents liberadores de fármacos, y un sensor de presión inalámbrico de
poli D-lactida (PDLA) que permite la medición en tiempo real de la presión
dentro del vaso sanguíneo. Sus resultados muestran que el sensor inalámbrico
fabricado se une estrechamente a las paredes internas del stent debido a su
alta flexibilidad, además, se absorbe completamente en el cuerpo a lo largo del
tiempo. La tecnología de impresión 3D permite la fabricación de stents con una
estructura de malla compleja, a diferencia de los procesos tradicionales.
Sistemas
de liberación de fármacos
El uso de
tratamientos convencionales para el cáncer, como la quimioterapia o la
resección quirúrgica, con frecuencia ocasionan efectos secundarios no deseados
en el paciente. Por tal motivo, la búsqueda de nuevos tratamientos con acción
localizada ha generado gran interés entre los investigadores. Los científicos
han analizado muchos métodos para mejorar el encapsulamiento y trasporte de
medicamentos con el fin de mejorar el perfil de liberación.
Recientemente,
se ha prestado gran atención al control de la estructura tridimensional (3D) y
al diseño de diferentes formas en 3D en las dimensiones a nano y microescala de
los acarreadores de fármaco. Los investigadores buscan que el control de la
forma y tamaño de las partículas acarreadoras aumente la eficacia de los
fármacos, especialmente los diseñados para combatir el cáncer.
En un
estudio realizado en el año 2018 por Yang y col., se fabricó un implante hueco
en forma de bala con una superficie porosa mediante impresión 3D. El
dispositivo fue cargado con el agente quimioterapéutico citoxano (CTX), como
matriz alcohol tetradecílico o lecitina y fue recubierto con ácido poliláctico
(PLA). Posee un tiempo de liberación de fármaco de 4 horas a más de un mes, la
liberación de fármaco del implante se puede controlar fácilmente cambiando el
tamaño de los poros, el tipo de matriz y el espesor del recubrimiento. En dicho
estudio se combinó de manera exitosa la técnica de impresión 3D y el
recubrimiento para fabricar implantes intratumorales.
3.1.5 Ingeniería
de tejidos
En la
actualidad, existe un desafío importante para la medicina a nivel mundial: la
escasez de donantes para trasplantes de órganos y tejidos. Los científicos han
encontrado en la impresión 3D, o manufactura aditiva, la tecnología para
afrontar dicho desafío, puesto que permite personalizar tejidos y órganos,
además se pueden colocar arreglos celulares para promover el crecimiento
celular, disminuyendo así la posibilidad de rechazo al órgano o tejido
trasplantado. La combinación de la ingeniería de tejidos y la técnica de
impresión 3D ha significado un gran avance para la medicina actual. Puesto que
se ha buscado corregir defectos en huesos, cartílagos y diafragma, desarrollar
sustitutos de córnea y fabricar estructuras cerebrales, ya que la bioimpresión
es una técnica que permite la impresión de materiales biodegradables con
células en tejido 3D.
Un
prerrequisito básico, y quizá el mayor desafío actual, para la supervivencia y
la función de construcciones de tejidos u órganos por impresión 3D es el
establecimiento de vasos sanguíneos. La bioimpresión en 3D con redes vasculares
que se asemejen a estructuras in vivo permitirá la circulación sanguínea dentro
de las construcciones de tejido. Miri y col. en el 2019 han presentado una
interesante revisión acerca de las combinaciones de técnicas de bioimpresión en
3D y el modelado de factores proangiogénicos, en donde los autores discuten
que, para mantener la formación a largo plazo de nuevos capilares, se debe
tener controlados los estímulos con factores proangiogénicos.
El
cerebro es un órgano enormemente complejo estructurado es varias capas de
tejido, encargado de controlar y regular la mayoría de las funciones del
cuerpo. Por tal motivo, desde el año 2015, Lozano y col., han buscado
desarrollar un modelo in vitro del cerebro para la comprensión de su
funcionamiento a nivel de órgano y tejido. En dicho estudio, se demostró un
nuevo método para para realizar una bioimpresión de estructuras 3D tipo cerebro
que consisten en capas de células neurales primarias encapsuladas en
hidrogeles. Las estructuras se construyeron en una tinta biológica basada en un
biopolímero modificado; goma gellan y RGD (RGD-GG). Se encontró que la
modificación peptídica del hidrogel de goma gellan tiene un profundo efecto
positivo sobre la proliferación de las células primarias neuronales, así como
en la formación de redes. Estas estructuras similares al cerebro brindan la
oportunidad de reproducir microestructuras 3D más precisas, con diversas
aplicaciones que van desde estudios de comportamiento celular hasta la
comprensión de las lesiones cerebrales y diversas enfermedades neurodegenerativas.
Tres años
más tarde, en el año 2018, Ho y col. buscan también el desarrollo de
estructuras cerebrales. En dicho estudio, se sintetizó un gel de poliuretano
(PU) biodegradable y se coextruyó con los plásmidos FoxD3 y fibroblastos
humanos. Forkhead box D3 (FoxD3) es un factor de transcripción y un marcador de
la cresta neural, que reprograma los fibroblastos humanos en células similares
a la cresta neural. Los resultados mostraron que los fibroblastos humanos
podían reprogramarse en células similares a tallos de la cresta neural. La
construcción de tejido similar al tejido neural por bioimpresión 3D de
fibroblastos humanos, puede aplicarse a la detección de fármacos así como a la
neurorregeneración.
Las
hernias diafragmáticas son una gran preocupación, ya que se trata de un defecto
que permite que los órganos del abdomen se desplacen a la cavidad torácica
poniendo en riesgo la vida del paciente. Por tal razón, en el año 2018, Xiu y
col. buscan dar solución a las hernias diafragmáticas de neonatos que a menudo
requieren el cierre del defecto quirúrgico con un parche. La eficacia clínica
de los parches existentes está limitada por el material extraño y por la
recurrencia de la hernia. Por tal motivo, en el estudio de Xiu y col., utilizan
un nuevo método de bioimpresión 3D para generar parches de tejido sin andamios,
compuestos de células humanas. Los parches celulares basados en fibroblastos
dérmicos humanos normales (NHDF, CC-2509) y células endoteliales de la vena
umbilical (HUVEC, C2517A) en una solución de gelatina, se trasplantaron en
ratas con defectos diafragmáticos creados quirúrgicamente. Las ratas pudieron
sobrevivir durante más de 710 días después de la implantación del parche. Los
resultados demuestras que los parches celulares creados mediante impresión 3D
con seguros y efectivos para la reparación de los defectos diafragmáticos.
La córnea
es una parte esencial para la visión y, la ceguera corneal provocada por
traumas o enfermedades afecta a millones de personas alrededor del mundo. En el
año 2018, Sorkio y col., buscan fabricar un sustituto de córnea mediante
impresión 3D, produciendo tejidos que simulan la córnea utilizando células
madre humanas y la técnica de bioimpresión asistida por láser. Se emplearon
células madre epiteliales (hESC-LESC) como fuente celular para imprimir
estructuras que imitan al epitelio, mientras que para construir estructuras que
imiten el estroma se utilizaron células madre derivadas del tejido adiposo
(hASCs). Luego de 7 días en cultivos de órganos porcinos, las estructuras se
unieron al tejido del huésped. Este estudio demuestra la viabilidad de la impresión
3D para aplicaciones corneales utilizando células madre humanas. Por otro lado,
en el año 2018 Dehghani y col., desarrollan una membrana mediante impresión 3D
como alternativa a la membrana amniótica, para la reconstrucción de la
superficie ocular. La membrana amniótica se emplea en el área de la
oftalmología para reconstruir y trata las lesiones de la superficie ocular, ya
sea en la córnea o conjuntiva, es decir, la membrana que cubre la cámara
anterior del globo ocular. El trasplante de membrana amniótica en una lesión de
la superficie ocular disminuye la gravedad de la lesión y evita el trasplante
de córnea. En dicho estudio, se obtuvo una membrana impresa en 3D basada en una
mezcla de gelatina, hialuronato de sodio y elastina, para la reconstrucción de
la conjuntiva y realizar una comparación con la membrana amniótica, que como ya
mencionó, se emplea normalmente para el tratamiento de lesiones. Se evaluaron
las propiedades físicas y mecánicas de las membranas impresas, así como la
proliferación y adhesión in vitro de las células. De igual manera, se realizó
una evaluación in vivo mediante la implantación de las membranas en defectos
inducidos en conejos. Se encontró que las membranas impresas tenían
características ópticas favorables, además, los niveles de inflamación fueron
bajos. La membrana a base de gelatina, hialuronato de sodio y elastina, ofrece
características físicas y mecánicas necesarias para la construcción exitosa de
la superficie ocular y puede considerarse una alternativa prometedora para el
tratamiento de lesiones en la superficie ocular.
La
ingeniería de tejidos y la impresión 3D también buscan dar solución a los
defectos de huesos y cartílagos, puesto que dichos defectos causan con
frecuencia un movimiento limitado y una función deteriorada. Por ello, Liu y
col. en el año 2019, desarrollan un andamio de tres capas utilizado la
impresión 3D de múltiples boquillas basada en extrusión. El andamio fue basado
en un hidrogel de gelatina metacrilada (GelMA) con nanopartículas de
hidroxiapatita (nHA), (GelMA/ nHA) y, fue colocado en conejos. Se evaluaron las
propiedades físicas, mecánicas y biológicas del andamio y, se encontró que los
andamios eran apropiados para reparar los defectos del cartílago y los tejidos
óseos subcondrales. La reparación in vivo de los defectos osteocondrales dio
como resultado la regeneración de los tejidos en los defectos, buena integridad
con el tejido circundante, matriz extracelular del cartílago altamente
depositada y abundante colágeno tipo II. En el mismo año Lai y col., buscan
desarrollar una posible solución a un trastorno ortopédico llamado
osteonecrosis, se trata de una enfermedad de los huesos que puede causar dolor
o limitar la actividad física provocada por la pérdida del suministro de sangre
a los huesos. Por tal motivo, en dicho estudio formulan un andamio poroso de
magnesio (Mg), polilactida-co-glicolida (PLGA) y fosfato β-tricálcico (β-TCP)
mediante impresión 3D con la técnica de deposición capa por capa. La liberación
de iones magnesio se analizó de forma in vitro, mientras que la bioseguridad
luego de la implantación, las propiedades osteogénicas y angiogénicas, se
evaluaron en un conejo. Los resultados mostraron que el andamio de
Mg/PLGA/β-TCP poseía una buena estructura física y propiedades mecánicas
adecuadas, de igual manera el andamio promovió el crecimiento de nuevos vasos
sanguíneos a las 4 semanas después de la implantación, mientras que a las 12
semanas mostró que podría mejorar significativamente la formación del hueso y fortalecer
las propiedades mecánicas óseas recién formadas. El andamio desarrollado por
Lai y col. promete ser un biomaterial competente en la reparación de defectos
óseos. Chen y col. en el año 2019, buscan también lograr la regeneración de los
defectos osteocondrales causados por enfermedades degenerativas. En este
estudio se desarrolla con éxito un biocerámico de silicato de calcio y litio
(Li2Ca4Si4O13, L2C4S4) mediante un método de impresión 3D. El soporte biológico
L2C4S4 mostró una biodegradabilidad controlada y una buena capacidad de
mineralización de apatita, a cierta concentración los productos iónicos del
andamio L2C4S4 estimularon la proliferación y maduración de los condrocitos.
Así mismo, se promovió la regeneración de cartílago y hueso subcondral. Estos
resultados sugieren que el andamio desarrollado por Chen y col. representa un
prometedor biomaterial para la reconstrucción de la interfaz osteocondral.
Si bien
se han descrito diversos estudios donde se ha desarrollado una diversidad de
tejidos, órganos, prótesis e implantes mediante la tecnología de impresión 3D,
la fabricación de conductos nerviosos aún parece algo lejano de lograr. Sin
embargo, para Xu y col. esto fue posible, pues en el año 2019 desarrollan un
conducto nervioso impreso en 3D con liberación de fármaco para promover la
regeneración nerviosa. El desarrollo de conductos nerviosos promete superar los
defectos de los nervios periféricos que causan discapacidad.
Se
fabricó un conducto nervioso basado en gelatina metacrilada (GelMA) con
nanopartículas cargadas con RGFP966 (R-NP) para promover la remielinización de
las células de Schwann mediante la activación de PI13K-AKT-ERK. Este conducto
nervioso presentaba una superficie interna alineada direccionalmente con
fibras, personalizada con un procesamiento de luz digital (DLP) basado en
impresión 3D. Este estudio demuestra la factibilidad y eficacia de las R-NP
para regenerar los conductos nerviosos dañados, así como las ventajas de
personalización que ofrece la tecnología de impresión 3D.
En la Tabla
1, se presenta un resumen de las aplicaciones de dispositivos médicos
desarrollados mediante la técnica de impresión 3D o manufactura aditiva, se menciona
también el biomaterial empleado para la impresión de implantes, prótesis y
tejidos, así como la técnica de impresión utilizada.
Tabla 1 Clasificación de
dispositivos médicos desarrollados mediante impresión 3D.
|
CATEGORÍA |
APLICACIÓN |
MATERIAL |
TÉCNICA
DE IMPRESIÓN |
|
|
Implantes |
Craneales |
Biomaterial para reconstrucción
craneofacial |
Poliamida 12- Zirconia-β-TCP |
Modelado por deposición fundida (c, FDM
por sus siglas en inglés) |
|
Cardíacos |
Anillo
aórtico basado en mediciones de tomografía computarizada cardiovascular |
Poliuretano
(PU) |
Modelado
por deposición fundida (Fused deposition modelling, FDM por sus siglas en
inglés) |
|
|
Oclusor biodegradable para defectos
cardíacos |
PLLA-TMC-GA (PLTG) |
- |
||
|
De
rodilla |
Mezcla
polimérica para menisco artificial de rodilla |
Policarbonato
de uretano (PCU) Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) |
Modelado
por deposición fundida (Fused deposition modelling, FDM por sus siglas en
inglés) |
|
|
Dentales |
Moldes personalizados para rellenos
dentales |
Ácido poliláctico (PLA) |
Modelado por deposición fundida (Fused
deposition modelling, FDM por sus siglas en inglés) |
|
|
Sistemas
de |
Para
liberación controlada de fármaco |
Implante
en forma de bala hueca con superficie porosa cargado de un agente
quimioterapéutico |
Citoxano
(CTX) Alcohol tetradecílico Ácido poliláctico |
- |
|
Prótesis |
Miembros superiores e inferiores |
Prótesis de silicona impresas mediante
la tecnología de impresión 3D de un paciente con amputación parcial de la
mano |
Alginato y silicona |
- |
|
Dentales |
Prótesis
dental liberadora de fármaco |
Polimetilmetacrilato
(PMMA), microesferas de policaprolactona (PCL) y anfotericina-B (Am-B) |
- |
|
|
Orbitales |
Prótesis orbital personalizada |
Silicona |
Procesamiento de luz digital (DLP)
basado en impresión 3D |
|
|
Endoprótesis
tubulares |
Stent
biodegradable liberador de fármaco |
Policaprolactona
(PCL), fármaco sirolimus mezclado con poli-lactida-co-glicolida (PLGA) y
polietilenglicol (PEG) |
- |
|
|
Stent polimérico biodegradable con
sensor de presión |
Policaprolactona (PCL) y poli-D-lactida
(PDLA) |
- |
||
|
Ingeniería |
Estructuras
cerebrales |
Estructura
en forma de cerebro a partir de células neuronales primarias encapsuladas en
hidrogeles |
Solución
RGD-GG combinada con neurona cortical primaria |
Proceso
de impresión simple y manual utilizando dos reticuladores iónicos |
|
Hidrogel para fabricación de
estructuras tipo neural a partir de fibroblastos humanos |
Poliuretano (PU1500) Fibroblastos
humanos |
Extrusión |
||
|
Diafragma |
Parche
para regeneración de diafragma |
Fibroblastos
dérmicos humanos normales (NHDF, CC-2509), células endoteliales de la vena
umbilical humana (HUVEC, C2517A), cultivados y recubiertos en solución de
gelatina |
Método
Kenzan |
|
|
Sustituto de cornea |
Tejido que simula cornea |
Células madre (hESC-LESC), (hASCs) |
Laser-assisted bioprinting (LaBP) Laser
induced forward transfer (LIFT) |
|
|
Membrana
impresa en 3D como alternativa para el tratamiento de lesiones en la
superficie ocular |
Gelatina,
hialuronato de sodio y elastina |
- |
||
|
Huesos y cartílago |
Andamio de múltiples capas para la
reparación de defectos osteocondrales |
Hidrogel de gelatina metacrilada
(GelMA) y nanohidroxiapatita (nHA), GelMA/nHA |
Extrusión |
|
|
Andamio
poroso para la reparación de defectos óseos |
Magnesio
(Mg), polilactida-co-glicolida (PLGA) y fosfato β-tricálcico (β-TCP) |
Deposición
capa por capa |
||
|
Andamio para la reconstrucción
osteocondral |
Silicato de calcio y litio (Li2Ca4Si4O13) |
- |
||
|
Conductos
nerviosos |
Conducto
nervioso impreso en 3D con liberación de fármaco para promover la
regeneración nerviosa |
Gelatina
metacrilada (GelMA) con nanopartículas cargadas con RGFP966 (R-NP) |
Procesamiento
de luz digital (DLP) basado en impresión 3D |
|
Nota: (-) Técnica de impresión no especificada.
3.1.6 Limitaciones de la impresión 3D
Esencialmente
se comentan 3 limitantes en la impresión 3D: las dimensiones del objeto a
imprimir, el tiempo y los costo. La impresión 3D sólo puede aplicarse a
estructuras que no excedan ciertas di- mensiones ya que las impresoras no son
capaces de producir modelos extremadamente grandes, como el cuerpo entero. La
limitación se supera actualmente al producir una versión en miniatura de una
estructura grande mediante posprocesado o dividiendo el modelo completo en
partes más pequeñas que se pueden combinar después de la impresión.
Una
limitación importante son el tiempo y el costo que se invierte en la
generación de objetos 3D. En la actualidad, el uso generalizado de prototipos
rápidos para la planificación quirúrgica o el diseño de implantes
individuales no parece justi- ficarse porque los procedimientos de
planificación estándar o los implantes estándar son suficientes. Sin
embargo, en los casos complicados, los costos adicionales pueden compensarse
por los tiempos operativos reducidos y una mayor tasa de éxito del
procedimiento quirúrgico.
El tiempo
necesario para producir un objeto 3D también limita su uso en cirugía a casos
electivos y lo hace inadecuado para situaciones de emergencia.
LA BIOIMPRESIÓN 3D: UN PASO
HACIA EL FUTURO, MÁS ALLÁ DE LA IMPRESIÓN 3D, DE LA MANO DE LA MEDICINA
REGENERATIVA
La
medicina regenerativa (término introducido a la MeSH en 2004) se define como
“el campo de la medicina relacionado con el desarrollo y uso de estrategias
dirigidas que tienen como objetivo la reparación o reemplazo de órganos,
tejidos y células dañados, enfermos o metabólicamente deficientes a través
de la ingeniería de tejidos, trasplante de células, u órganos artificiales o
bioartificiales y tejidos”.
Para
lograr este objetivo, los andamios biomédicos hechos de polímeros naturales o
sintéticos se han utilizado habitualmente en aplicaciones biomédicas y de
ingeniería de tejidos para reemplazar o regenerar los tejidos nativos
funcional y estructuralmente. En general, estos andamios deben cumplir con
varias funciones obligatorias como proporcionar vías internas para la unión
celular y la migración (poros), transferir varios factores de crecimiento y
productos de desecho, y mantener su forma, mientras las células continúan
creciendo y desarrollando propiedades mecánicas adecuadas o compatibles.
El
desarrollo de sistemas libres de disolventes, a base de agua, ha permitido la
impresión directa de materiales biológicos en andamios 3D que podrían
utilizarse para el trasplante con o sin células sembradas. Por lo tanto, la
tecnología de bioim- presión 3D es uno de los métodos más apropiados para
producir andamios para cultivos celulares, se logra así ensamblar material
biológico o células en una organización prescrita para crear estructuras
funcionales tales como microarreglos celulares o estructuras anatómicas
tridimensionales (MeSH 2013) lo que permite que se mantengan dentro de la
estructura 3D, su fisiología y viabilidad. Los avan- ces introducidos por esta
técnica han aumentado considerablemente la capacidad de controlar la dis-
tribución del tamaño del poro, su volumen y la interconectividad de los poros
en los andamios. Algunos procesos de impresión en 3D se realizaron en
hidrogeles como andamios y se obtuvieron con éxito estructuras 3D a
temperatura ambiente sin ningún efecto significativo en la viabilidad celular.
La impresión 3D capa por capa consiste en
dar un posicionamiento preciso de materiales
biológicos, bioquímicos y células vivas, con el control espacial de la
colocación de estos componentes funcionales puede obtenerse una copia fiel del
tejido original.
Existen algunos enfoques para
la bioimpresión 3D como el biomimetismo (imitación anatomofuncional de
un tejido), el autoensamblaje autónomo y los minitejidos (en
bloques de construcción). El fin común de todos ellos es generar un tejido
con propiedades biológicas y mecánicas adecuadas para la restauración
clínica del tejido y la función de los órganos.
El reto principal en la
impresión 3D es convertirla a una bioimpresión, en la que sea posible
reproducir la compleja microarquitectura de los componentes de la matriz
extracelular (MEC) y los diferentes tipos de células con la resolución
suficiente para recapturar la función biológica.
Los materiales actualmente
utilizados en el cam- po de la medicina regenerativa para la reparación y
regeneración se basan principalmente en el em- pleo de polímeros de origen
natural (incluyendo alginato, gelatina, colágeno, quitosano, fibrina y ácido
hialurónico, a menudo aislados de tejidos ani- males o humanos) o moléculas
sintéticas como el polietilenglicol (PEG). Las ventajas de los polímeros
naturales para bioimpresión y otras aplicaciones de ingeniería de tejidos son
su similitud con la MEC (matriz extracelular) humana y su bioactividad
inherente. La ventaja de los polímeros sintéticos con propiedades físicas específicas
es que pueden adaptarse para aplicaciones particulares. Los desafíos en el uso
de polímeros sintéticos incluyen una baja biocompatibilidad, productos de
degradación tóxica y pérdida de propiedades mecánicas durante la
degradación. Aun así, los hidrogeles sintéticos, que son a la vez
hidrófilos y absorbentes, son atractivos para múltiples aplicaciones en la
medicina regenerativa debido a la facilidad de controlar sus propiedades
físicas durante la fabricación.
A medida que los tejidos
bioimpresos se desarro- llan in vivo, deben ser susceptibles de
remodelación, facilitando la formación de estructuras moduladas por los
requerimientos celulares y fisiológicos. Lo más importante es que los
materiales deben apoyar el apego, la proliferación y la función celular.
Las principales tecnologías utilizadas para deposi- tar y
modelar materiales biológicos son: la inyección, la microextrusión y la
impresión asistida por láser (figura 2). Deben considerarse las
diferentes caracte- rísticas de éstas, que son de manera general la resolu-
ción superficial, la viabilidad celular y los materiales biológicos
utilizados para la impresión, así como sus ventajas y desventajas en general (tabla
1).
La elección de células para
la impresión de te jidos u órganos, es crucial para el correcto
funcionamiento de la impresión. Los tejidos y los órganos comprenden
múltiples tipos de células con funciones biológicas específicas y
esenciales que deben retomarse en el tejido trasplantado. Además de los tipos
de células funcionales primarias, la mayoría de los tejidos también tienen
tipos de células que proporcionan funciones de soporte, estructurales o de
barrera, participan en la vascularización o pro- porcionan un nicho para el
mantenimiento y la diferenciación de las células madre. Las opciones actuales
para imprimir células implican el depósito de múltiples tipos de células
primarias en patrones que representan fielmente el tejido nativo o que imprimen
células madre que pueden proliferar y diferenciarse en los tipos de células
requeridos.
La célula elegida para
impresión debe ser capaz de expandirse en números suficientes en dicha im-
presión. El control preciso de la proliferación celular in vitro e in
vivo es importante para la bioimpresión. La escasa proliferación puede
dar lugar a la pérdida
de viabilidad del impreso
trasplantado, mientras que demasiada proliferación puede dar lugar a
hiperplasia o apoptosis. Además, el momento de la proliferación celular es
importante. Inicialmente, puede ser deseable una alta tasa de proliferación
celular para poblar la construcción, pero a largo plazo, la proliferación
debe mantenerse a una velo- cidad adecuada para lograr la homeostasis tisular,
aunque sin hiperplasia. Se ha intentado resolver este problema mediante la
transfección viral o el uso de moléculas pequeñas para inducir la
proliferación celular y prevenir la senescencia.
Al igual que con cualquier
tejido u órgano tras- plantado, el rechazo del implante impreso por el sistema
inmune del receptor es un problema po- tencial que puede ser superado usando
una fuente autóloga de células o estrategias de la tolerancia inducción. Las
fuentes autólogas de células pueden obtenerse a partir de biopsias, desde la
generación y diferenciación de células madre autólogas o mediante
reprogramación.
4.
CONCLUSIONES
El desarrollo de dispositivos médicos mediante el
método de impresión 3D ha logrado un progreso significativo, pues se han
fabricado diversos modelos de prótesis, implantes y tejidos combinando el uso
de diferentes técnicas de manufactura aditiva con la incorporación de arreglos
celulares, promoviendo la regeneración de estructuras biológicas. Se han
empleado técnicas médicas ya establecidas, como la tomografía computarizada en
la impresión 3D, obteniendo una concordancia idónea en el modelo tridimensional
y la anatomía del paciente. Los biomateriales empleados en la impresión 3D,
consisten en compuestos poliméricos y cerámicas biodegradables, logrando
propiedades físicas y mecánicas idóneas. Un desafío importante en el desarrollo
de dispositivos médicos mediante impresión 3D, es la incorporación de equipos
de manufactura aditiva en hospitales, por esta razón, es previsible que la
investigación básica y aplicada se intensifiquen en los próximos años y haya
más estudios clínicos para tener productos disponibles comercialmente.
La
importancia de la aplicación de las TFA en medi- cina radica en permitir la
reproducción de un tejido u órgano mediante el uso de la bioimpresión, con
lo que se espera un impacto trascendente en múltiples especialidades médicas
(cirugía plástica reconstructi- va, cirugía maxilofacial, ortopedia,
cirugía de colum- na, artroscopía, cirugía de trasplantes, entre muchas
otras). La expectativa en Latinoamérica de estas tec- nologías es que sean un
campo emergente en benefi- cio de los pacientes con la generación de implantes
u órganos personalizados que favorezcan el pronóstico y la evolución de los
tratamientos otorgados.
5. CONCLUSIONES
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Mechanical and physical properties of highly ZrO2 /β-TCP filled polyamide 12
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