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Construcción de estructuras biológicas 'reales' mediante bioimpresión 3D

En un gran avance en la técnica de bioimpresión 3D, se han creado células y tejidos para comportarse de manera similar en su entorno natural a fin de construir estructuras biológicas 'reales'.

La impresión 3D es un procedimiento en el que se agrega un material y, por lo tanto, se une o solidifica bajo el control digital de una computadora para crear un objeto o entidad tridimensional. La creación rápida de prototipos y la fabricación aditiva son los otros términos que se utilizan para describir esta técnica de creación de objetos o entidades complejos mediante capas de material y acumulación gradual, o simplemente un método "aditivo". Esta extraordinaria tecnología ha existido durante tres décadas después de ser descubierta oficialmente en 1987, solo recientemente se ha convertido en el centro de atención y la popularidad no solo como un medio para producir prototipos, sino más bien como ofrecer componentes funcionales completos. Tal es el potencial de posibilidades de 3D imprimiendo que ahora está impulsando importantes innovaciones en muchas áreas, incluida la ingeniería, la fabricación y la medicina.

Se encuentran disponibles diferentes tipos de métodos de fabricación aditiva que siguen los mismos pasos para lograr el resultado final. En el primer paso crucial, el diseño se crea utilizando el software CAD (Diseño asistido por computadora) en computadora, llamado plano digital. Este software puede predecir cómo resultará y también se comportará la estructura final, por lo que este primer paso es vital para un buen resultado. Este diseño CAD se convierte luego a un formato técnico (llamado archivo .stl o lenguaje de teselación estándar) que se requiere para que la impresora 3D pueda interpretar las instrucciones de diseño. A continuación, se debe configurar la impresora 3D (similar a una impresora 2D normal, doméstica o de oficina) para la impresión real; esto incluye configurar el tamaño y la orientación, optar por impresiones horizontales o verticales, llenar los cartuchos de la impresora con el polvo adecuado. . los impresora 3D luego comienza el proceso de impresión, construyendo gradualmente el diseño una capa microscópica del material a la vez. Esta capa suele tener un grosor de alrededor de 0.1 mm, aunque se puede personalizar para adaptarse a un objeto en particular que se está imprimiendo. Todo el procedimiento es en su mayor parte automatizado y no se requiere intervención física, solo verificaciones periódicas para garantizar el correcto funcionamiento. Un objeto en particular tarda de varias horas a días en completarse, según el tamaño y la complejidad del diseño. Además, dado que es una metodología 'aditiva', es económica, ecológica (sin desperdicio) y también ofrece un alcance mucho mayor para los diseños.

El siguiente nivel: Bioimpresión 3D

Bioimpresión es una extensión de la impresión 3D tradicional con los avances recientes que permiten que la impresión 3D se aplique a materiales biológicos vivos. Si bien la impresión por inyección de tinta 3D ya se está utilizando para desarrollar y fabricar dispositivos y herramientas médicos avanzados, es necesario desarrollar un paso más para imprimir, ver y comprender las moléculas biológicas. La diferencia crucial es que, a diferencia de la impresión de inyección de tinta, la bioimpresión se basa en biotinta, que se compone de estructuras de células vivas. Entonces, en la bioimpresión, cuando se ingresa un modelo digital particular, el tejido vivo específico se imprime y se acumula capa por capa de células. Debido a los componentes celulares altamente complejos del cuerpo vivo, la bioimpresión 3D está progresando lentamente y complejidades como la elección de materiales, células, factores y tejidos plantean desafíos de procedimiento adicionales. Estas complejidades se pueden abordar ampliando la comprensión mediante la integración de tecnologías de campos interdisciplinarios, como la biología, la física y la medicina.

Grandes avances en bioimpresión

En un estudio publicado en Materiales funcionales avanzados, los investigadores han desarrollado una técnica de bioimpresión en 3D que utiliza células y moléculas que normalmente se encuentran en los tejidos naturales (su entorno nativo) para crear construcciones o diseños que se asemejan a estructuras biológicas "reales". Esta técnica de bioimpresión en particular combina el "autoensamblaje molecular" con la "impresión 3D" para crear estructuras biomoleculares complejas. El autoensamblaje molecular es un proceso mediante el cual las moléculas adoptan una disposición definida por sí mismas para realizar una tarea específica. Esta técnica integra el 'control micro y macroscópico de las características estructurales' que proporciona la 'impresión 3D' con el 'control molecular y nanoescala' habilitado por el 'autoensamblaje molecular'. Utiliza el poder del autoensamblaje molecular para estimular las células que se están imprimiendo, lo que de otro modo es una limitación en la impresión 3D cuando la 'tinta de impresión 3D' normal no proporciona este medio para esto.

Los investigadores "incrustaron" estructuras en "tinta biológica", que es similar a su entorno nativo dentro del cuerpo, haciendo que las estructuras se comporten como lo harían en el cuerpo. Esta biotinta, también llamada tinta autoensamblable, ayuda a controlar o modular las propiedades químicas y físicas durante y después de la impresión, lo que luego permite estimular el comportamiento celular en consecuencia. El mecanismo único cuando se aplica a bioprinting nos permite hacer observaciones sobre cómo funcionan estas células dentro de sus entornos, lo que nos da una instantánea y comprensión del escenario biológico real. Aumenta la posibilidad de construir estructuras biológicas 3D mediante la impresión de múltiples tipos de biomoléculas capaces de ensamblarse en estructuras bien definidas a múltiples escalas.

¡El futuro es muy esperanzador!

La investigación en bioimpresión ya se está utilizando para generar diferentes tipos de tejido y, por lo tanto, puede ser muy importante para la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa para abordar la necesidad de tejidos y órganos adecuados para trasplantes: piel, huesos, injertos, tejido cardíaco, etc. Además, la técnica abre una amplia gama de posibilidades para diseñar y crear escenarios biológicos como entornos celulares complejos y específicos para permitir la prosperidad de la ingeniería de tejidos al crear realmente objetos o construcciones, bajo control digital y con precisión molecular, que se asemejan o imitan a los tejidos del cuerpo. Los modelos de tejido vivo, hueso, vasos sanguíneos y, potencialmente y órganos completos, son posibles de crear para procedimientos médicos, capacitación, pruebas, investigación e iniciativas de descubrimiento de fármacos. La generación muy específica de construcciones personalizadas para cada paciente puede ayudar a diseñar tratamientos precisos, dirigidos y personalizados.

Uno de los mayores obstáculos para la bioimpresión y la impresión de inyección de tinta 3D en general ha sido el desarrollo de un software avanzado y sofisticado para afrontar el desafío en el primer paso de la impresión: crear un diseño o plano apropiado. Por ejemplo, los planos de objetos no vivos se pueden crear fácilmente, pero cuando se trata de crear modelos digitales de, por ejemplo, un hígado o un corazón, es desafiante y no tan sencillo como la mayoría de los objetos materiales. La bioimpresión definitivamente tiene multitud de ventajas (control preciso, repetibilidad y diseño individual), pero todavía está plagada de varios desafíos, siendo el más importante la inclusión de múltiples tipos de células en una estructura espacial, ya que un entorno vivo es dinámico y no estático. Este estudio ha contribuido al avance de Bioimpresión 3D y muchos obstáculos se pueden eliminar siguiendo sus principios. Está claro que el verdadero éxito de la bioimpresión tiene varias facetas. El aspecto más crucial que puede potenciar la bioimpresión es el desarrollo de biomateriales relevantes y apropiados, la mejora de la resolución de la impresión y también la vascularización para poder aplicar esta tecnología clínicamente con éxito. Parece imposible "crear" órganos viables y en pleno funcionamiento para trasplantes humanos mediante bioimpresión, pero sin embargo este campo está progresando rápidamente y en tan sólo unos años se han producido muchos avances. Debería ser posible superar la mayoría de los desafíos que plantea la bioimpresión, ya que los investigadores e ingenieros biomédicos ya están en el camino hacia una bioimpresión compleja exitosa.

Algunos problemas con la bioimpresión

Un punto crítico planteado en el campo de bioprinting es que es casi imposible en este momento probar la eficacia y seguridad de cualquier tratamiento biológico "personalizado" que se ofrezca a los pacientes utilizando esta técnica. Además, los costos asociados con dichos tratamientos son un gran problema, especialmente en lo que respecta a la fabricación. Aunque es muy posible desarrollar órganos funcionales que puedan reemplazar órganos humanos, aun así, actualmente no existe una forma infalible de evaluar si el cuerpo del paciente aceptará tejido nuevo o el órgano artificial generado y si dichos trasplantes tendrán éxito en todo.

La bioimpresión es un mercado en crecimiento y se centrará en el desarrollo de tejidos y órganos y tal vez en unas pocas décadas se vean nuevos resultados en órganos humanos impresos en 3D y trasplantes. 3D bioprinting seguirá siendo el desarrollo médico más importante y relevante de nuestra vida.

***

{Puede leer el trabajo de investigación original haciendo clic en el enlace DOI que figura a continuación en la lista de fuentes citadas}

Fuentes)

Hedegaard CL 2018. Autoensamblaje jerárquico guiado hidrodinámicamente de bioenlaces péptido-proteína. Materiales funcionales avanzadoshttps://doi.org/10.1002/adfm.201703716

Equipo SCIEU
Equipo SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
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