Bioimpresión 3D

La bioimpresión tridimensional ( 3D ) es la utilización de técnicas similares a la impresión 3D para combinar células, factores de crecimiento y / o biomateriales para fabricar piezas biomédicas, a menudo con el objetivo de imitar las características de los tejidos naturales. En general, la bioimpresión 3D puede utilizar un método capa por capa para depositar materiales conocidos como bioenlaces para crear estructuras similares a tejidos que luego se utilizan en diversos campos médicos y de ingeniería de tejidos. [1] La bioimpresión 3D cubre una amplia gama de biomateriales y técnicas de bioimpresión .

Actualmente, la bioimpresión se puede utilizar para imprimir tejidos y órganos para ayudar a investigar medicamentos y píldoras. [2] Sin embargo, las innovaciones abarcan desde la bioimpresión de la matriz extracelular hasta la mezcla de células con hidrogeles depositados capa por capa para producir el tejido deseado. [3] Además, la bioimpresión 3D ha comenzado a incorporar la impresión de andamios. Estos andamios se pueden utilizar para regenerar articulaciones y ligamentos. [4]

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Bioimpresión de túbulos renales proximales contorneados en 3D en chips perfundibles

La bioimpresión 3D generalmente sigue tres pasos: prebioimpresión, bioimpresión y posbioimpresión. [5] [6]

Pre-bioimpresión

La pre-bioimpresión es el proceso de crear un modelo que luego creará el impresor y elegir los materiales que se utilizarán. Uno de los primeros pasos es obtener una biopsia del órgano. Las tecnologías comunes que se utilizan para la bioimpresión son la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (RM). Para imprimir con un enfoque capa por capa, se realiza una reconstrucción tomográfica de las imágenes. Las imágenes ahora 2D se envían a la impresora para su creación. Una vez que se crea la imagen, ciertas celdas se aíslan y multiplican. [5] Estas células luego se mezclan con un material licuado especial que proporciona oxígeno y otros nutrientes para mantenerlas vivas. En algunos procesos, las células se encapsulan en esferoides celulares de 500 μm de diámetro. Esta agregación de células no requiere un andamio y se requieren para colocar en la fusión de tejido de tipo tubular para procesos como la extrusión. [7] : 165

Bioimpresión

En el segundo paso, la mezcla líquida de células, matriz y nutrientes conocida como bioenlaces se coloca en un cartucho de impresora y se deposita utilizando los escáneres médicos de los pacientes. [8] Cuando un pre-tejido bioimpreso se transfiere a una incubadora, este pre-tejido a base de células madura en un tejido.

La bioimpresión 3D para fabricar construcciones biológicas generalmente implica dispensar células en un andamio biocompatible utilizando un enfoque sucesivo capa por capa para generar estructuras tridimensionales similares a tejidos. [9] Se ha demostrado que los órganos artificiales como el hígado y los riñones producidos por bioimpresión 3D carecen de elementos cruciales que afectan al cuerpo, como los vasos sanguíneos en funcionamiento, los túbulos para recolectar orina y el crecimiento de miles de millones de células necesarias para estos órganos. Sin estos componentes, el cuerpo no tiene forma de obtener los nutrientes esenciales y el oxígeno en lo profundo de su interior. [9] Dado que cada tejido del cuerpo está compuesto naturalmente por diferentes tipos de células, muchas tecnologías para imprimir estas células varían en su capacidad para asegurar la estabilidad y viabilidad de las células durante el proceso de fabricación. Algunos de los métodos que se utilizan para la bioimpresión en 3D de células son la fotolitografía , la bioimpresión magnética en 3D , la estereolitografía y la extrusión directa de células. [7] : 196

Post-bioimpresión

El proceso de post-bioimpresión es necesario para crear una estructura estable a partir del material biológico. Si este proceso no se mantiene bien, la integridad mecánica y la función del objeto impreso en 3D están en riesgo. [5] Para mantener el objeto, se necesitan estimulaciones tanto mecánicas como químicas. Estas estimulaciones envían señales a las células para controlar la remodelación y el crecimiento de los tejidos. Además, en un desarrollo reciente, las tecnologías de biorreactores [10] han permitido la rápida maduración de los tejidos, la vascularización de los tejidos y la capacidad de sobrevivir a los trasplantes. [6]

Los biorreactores funcionan proporcionando transporte de nutrientes por convección, creando entornos de microgravedad, cambiando la presión que hace que la solución fluya a través de las células o agregando compresión para carga dinámica o estática. Cada tipo de biorreactor es ideal para diferentes tipos de tejido, por ejemplo, los biorreactores de compresión son ideales para el tejido del cartílago. [7] : 198

Los investigadores en el campo han desarrollado enfoques para producir órganos vivos que se construyen con las propiedades biológicas y mecánicas apropiadas. La bioimpresión 3D se basa en tres enfoques principales: biomimetismo, autoensamblaje autónomo y bloques de construcción de mini tejidos. [11]

Biomimetismo

El primer enfoque de la bioimpresión se llama biomimetismo. El objetivo principal de este enfoque es crear estructuras fabricadas que sean idénticas a la estructura natural que se encuentra en los tejidos y órganos del cuerpo humano. La biomimetismo requiere la duplicación de la forma, el marco y el microambiente de los órganos y tejidos. [12] La aplicación de la biomimetismo en la bioimpresión implica la creación de partes de órganos tanto celulares como extracelulares idénticas. Para que este enfoque tenga éxito, los tejidos deben replicarse a microescala. Por lo tanto, es necesario comprender el microambiente, la naturaleza de las fuerzas biológicas en este microambiente, la organización precisa de los tipos de células funcionales y de soporte, los factores de solubilidad y la composición de la matriz extracelular. [11]

Autoensamblaje autónomo

El segundo enfoque de la bioimpresión es el autoensamblaje autónomo. Este enfoque se basa en el proceso físico del desarrollo de los órganos embrionarios como modelo para replicar los tejidos de interés. [12] Cuando las células están en su desarrollo temprano, crean su propio bloque de construcción de matriz extracelular, la señalización celular adecuada y la disposición y patrones independientes para proporcionar las funciones biológicas y la microarquitectura requeridas. [11] El autoensamblaje autónomo exige información específica sobre las técnicas de desarrollo de los tejidos y órganos del embrión. [12] Existe un modelo "sin andamios" que utiliza esferoides autoensamblados que se someten a fusión y disposición celular para parecerse a los tejidos en evolución. El autoensamblaje autónomo depende de la célula como el impulsor fundamental de la histogénesis, que guía los bloques de construcción, las propiedades estructurales y funcionales de estos tejidos. Exige una comprensión más profunda de cómo se desarrollan los mecanismos de los tejidos embrionarios, así como el microambiente que rodea para crear los tejidos bioimpresos. [11]

Mini tejido

El tercer enfoque de la bioimpresión es una combinación de los enfoques de biomimetismo y autoensamblaje, que se denomina mini tejidos. Los órganos y tejidos se construyen a partir de componentes funcionales muy pequeños. El enfoque de mini-tejido toma estas piezas pequeñas y las fabrica y las organiza en un marco más grande. [12] [11]

Una bioimpresora 3D

Al igual que las impresoras de tinta ordinarias, las bioimpresoras tienen tres componentes principales. Estos son el hardware utilizado, el tipo de tinta biológica y el material en el que se imprime (biomateriales). [5] "La tinta biológica es un material elaborado a partir de células vivas que se comporta como un líquido, lo que permite a las personas 'imprimirlo' para crear la forma deseada. Para producir tinta biológica, los científicos crean una mezcla de células que pueden cargarse en un cartucho e insertarse en una impresora especialmente diseñada, junto con otro cartucho que contiene un gel conocido como papel biológico ". [13] En bioimpresión, se han utilizado tres tipos principales de impresoras. Se trata de impresoras de inyección de tinta, asistidas por láser y de extrusión. Las impresoras de inyección de tinta se utilizan principalmente en bioimpresión para productos rápidos y de gran escala. Un tipo de impresora de inyección de tinta, llamada impresora de inyección de tinta de gota a demanda, imprime materiales en cantidades exactas, minimizando costos y desperdicios. [14] Las impresoras que utilizan láser proporcionan impresión de alta resolución; sin embargo, estas impresoras suelen ser caras. Las impresoras de extrusión imprimen celdas capa por capa, al igual que la impresión 3D para crear construcciones 3D. Además de solo las células, las impresoras de extrusión también pueden usar hidrogeles infundidos con células. [5]

Basado en extrusión

La impresión basada en extrusión es una técnica muy común dentro del campo de la impresión 3D que implica extruir o forzar una corriente continua de material sólido derretido o líquido viscoso a través de una especie de orificio, a menudo una boquilla o una jeringa. [15] Cuando se trata de bioimpresión basada en extrusión, existen tres tipos principales de extrusión. Estos son de accionamiento neumático, de pistón y de tornillo. Cada método de extrusión tiene sus propias ventajas y desventajas. La extrusión neumática utilizó aire presurizado para forzar el bioenlace líquido a través de un agente depositante. El aire utilizado para mover el bioink debe estar libre de contaminantes. Los filtros de aire se utilizan comúnmente para esterilizar el aire antes de su uso. [16] La extrusión accionada por pistón utiliza un pistón conectado a un tornillo guía. El movimiento lineal del pistón exprime el material fuera de la boquilla. [17] La extrusión accionada por tornillo utiliza un tornillo sin fin para extruir el material. El movimiento de rotación fuerza al material hacia abajo y hacia afuera de la boquilla. Los dispositivos accionados por tornillo permiten el uso de materiales de mayor viscosidad y proporcionan un mayor control volumétrico. [15]

Existen varias aplicaciones para la bioimpresión 3D en el campo médico. Un paciente infantil con una enfermedad respiratoria rara conocida como traqueobroncomalacia (TBM) recibió una férula traqueal que se creó con impresión 3D. [18] La bioimpresión 3D se puede utilizar para reconstruir tejido de varias regiones del cuerpo. Los pacientes con enfermedad de la vejiga en etapa terminal pueden tratarse mediante el uso de tejidos de la vejiga diseñados para reconstruir el órgano dañado. [19] Esta tecnología también se puede aplicar potencialmente a los huesos, la piel, los cartílagos y el tejido muscular. [20] Aunque un objetivo a largo plazo de la tecnología de bioimpresión 3D es reconstruir un órgano completo, ha habido poco éxito en la impresión de órganos completamente funcionales. [21] A diferencia de los stents implantables, los órganos tienen formas complejas y son significativamente más difíciles de bioimprimir. Un corazón bioimpreso, por ejemplo, no solo debe cumplir con los requisitos estructurales, sino también con los requisitos de vascularización, carga mecánica y propagación de señales eléctricas. [22] Los investigadores israelíes construyeron un corazón del tamaño de un conejo a partir de células humanas en 2019. [23]

La bioimpresión 3D contribuye a avances significativos en el campo médico de la ingeniería de tejidos al permitir que se realicen investigaciones sobre materiales innovadores llamados biomateriales . Los biomateriales son los materiales adaptados y utilizados para imprimir objetos tridimensionales. Algunas de las sustancias de bioingeniería más notables suelen ser más fuertes que los materiales corporales promedio, incluidos los tejidos blandos y los huesos. Estos componentes pueden actuar como futuros sustitutos, incluso mejoras, de los materiales originales de la carrocería. El alginato , por ejemplo, es un polímero aniónico con muchas implicaciones biomédicas que incluyen viabilidad, fuerte biocompatibilidad, baja toxicidad y mayor capacidad estructural en comparación con algunos de los materiales estructurales del cuerpo. [24] Los hidrogeles sintéticos también son comunes, incluidos los geles a base de PV. La combinación de ácido con un reticulante basado en PV iniciado por UV ha sido evaluada por el Instituto de Medicina Wake Forest y se ha determinado que es un biomaterial adecuado. [25] Los ingenieros también están explorando otras opciones, como la impresión de microcanales que pueden maximizar la difusión de nutrientes y oxígeno de los tejidos vecinos. [8] Además, la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa tiene como objetivo imprimir mini órganos como corazones, hígados y pulmones como el potencial para probar nuevos medicamentos con mayor precisión y quizás eliminar la necesidad de pruebas en animales. [8]

  • Impresión 3D § Bioimpresión
  • Carne cultivada
  • Ética de la bioimpresión
  • Bioimpresión magnética 3D
  • Medicina regenerativa

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