bioimpresión 3D

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Diferentes modelos de impresión 3D de tejidos y órganos.

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 biotintas para crear estructuras similares a tejidos que luego se utilizan en diversos campos de la ingeniería médica y de tejidos. [1] [2] La bioimpresión 3D cubre una amplia gama de técnicas de bioimpresión y biomateriales. Actualmente, la bioimpresión se puede utilizar para imprimir modelos de tejidos y órganos para ayudar a investigar fármacos y posibles tratamientos. [3]No obstante, la traducción de construcciones celulares vivas bioimpresas a aplicaciones clínicas se enfrenta a varios problemas debido a la complejidad y el número de células necesarias para crear órganos funcionales. [4] Sin embargo, las innovaciones van desde la bioimpresión de la matriz extracelular hasta la mezcla de células con hidrogeles depositados capa por capa para producir el tejido deseado. [5] Además, la bioimpresión 3D ha comenzado a incorporar la impresión de andamios. Estos andamios se pueden utilizar para regenerar articulaciones y ligamentos. [6]

Proceso

Bioimpresión de túbulos proximales renales contorneados 3D en chips perfundibles

La bioimpresión 3D generalmente sigue tres pasos, prebioimpresión, bioimpresión y posbioimpresión. [7] [8]

Prebioimpresión

La prebioimpresión es el proceso de creación de un modelo que luego creará el impresor y la elección de los materiales que se utilizarán. Uno de los primeros pasos es obtener una biopsia del órgano. Las tecnologías comunes utilizadas para la bioimpresión son la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética nuclear (RMN). 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 que se realicen. Una vez que se crea la imagen, ciertas celdas se aíslan y multiplican. [7]Luego, estas células se mezclan con un material licuado especial que proporciona oxígeno y otros nutrientes para mantenerlas con vida. En algunos procesos, las células se encapsulan en esferoides celulares de 500 μm de diámetro. Esta agregación de células no requiere un andamio, y son necesarias para colocarlas en la fusión de tejido de tipo tubular para procesos como la extrusión. [9] : 165 

Bioimpresión

En el segundo paso, la mezcla líquida de células, matriz y nutrientes conocida como biotintas se coloca en un cartucho de impresora y se deposita utilizando los escaneos médicos de los pacientes. [10] Cuando un tejido previo bioimpreso se transfiere a una incubadora, este tejido previo basado en células madura hasta convertirse en un tejido.

La bioimpresión 3D para la fabricación de construcciones biológicas normalmente implica dispensar células en un andamio biocompatible utilizando un enfoque sucesivo capa por capa para generar estructuras tridimensionales similares a tejidos. [11] Se ha demostrado que los órganos artificiales como hígados y riñones creados mediante bioimpresión 3D carecen de elementos cruciales que afectan al cuerpo, como vasos sanguíneos en funcionamiento, 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 sus interiores. [11]Dado que cada tejido del cuerpo se compone de forma natural de diferentes tipos de células, muchas tecnologías para imprimir estas células varían en su capacidad para garantizar la estabilidad y viabilidad de las células durante el proceso de fabricación. Algunos de los métodos que se utilizan para la bioimpresión 3D de células son la fotolitografía , la bioimpresión magnética 3D , la estereolitografía y la extrusión celular directa. [9] : 196 

Post-bioimpresión

El proceso posterior a la bioimpresión es necesario para crear una estructura estable a partir del material biológico. Si este proceso no se mantiene bien, la integridad mecánica y el funcionamiento del objeto impreso en 3D corren peligro. [7] Para mantener el objeto, se necesitan estímulos tanto mecánicos como químicos. Estas estimulaciones envían señales a las células para controlar la remodelación y el crecimiento de los tejidos. Además, en el desarrollo reciente, las tecnologías de biorreactores [12] han permitido la rápida maduración de los tejidos, la vascularización de los tejidos y la capacidad de sobrevivir a los trasplantes. [8]

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 tejido de cartílago. [9] : 198 

Enfoque de bioimpresión

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: biomimética, autoensamblaje autónomo y bloques de construcción de minitejidos. [13]

Biomimetismo

El primer enfoque de la bioimpresión se llama biomímesis. 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 biomimética requiere la duplicación de la forma, el marco y el microambiente de los órganos y tejidos. [14] La aplicación de la biomimética 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. [13]

Autoensamblaje autónomo

El segundo enfoque de la bioimpresión es el autoensamblaje autónomo. Este enfoque se basa en el proceso físico del desarrollo de órganos embrionarios como modelo para replicar los tejidos de interés. [14] Cuando las células se encuentran en su etapa inicial de desarrollo, crean su propio bloque de construcción de matriz extracelular, la señalización celular adecuada y la disposición y el patrón independientes para proporcionar las funciones biológicas y la microarquitectura requeridas. [13] El autoensamblaje autónomo exige información específica sobre las técnicas de desarrollo de los tejidos y órganos del embrión. [14]Existe un modelo "sin andamios" que utiliza esferoides autoensamblables que se someten a fusión y disposición celular para parecerse a los tejidos en evolución. El autoensamblaje autónomo depende de la célula como motor fundamental de la histogénesis, guiando 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 los rodea para crear los tejidos bioimpresos. [13]

Mini-tejido

El tercer enfoque de la bioimpresión es una combinación de los enfoques de biomimética 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. [14] [13]

Impresoras

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 biotinta y el material en el que se imprime (biomateriales). [7] "La biotinta es un material hecho de células vivas que se comporta como un líquido, lo que permite que las personas lo 'impriman' para crear la forma deseada. Para hacer la biotinta, los científicos crean una mezcla de células que pueden ser cargado en un cartucho e insertado en una impresora especialmente diseñada, junto con otro cartucho que contiene un gel conocido como bio-papel". [15] En la 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 a gran escala. Un tipo de impresora de inyección de tinta, llamada impresora de inyección de tinta bajo demanda, imprime materiales en cantidades exactas, minimizando costos y desperdicios. [16] Las impresoras que utilizan láser proporcionan una impresión de alta resolución; sin embargo, estas impresoras suelen ser caras. Las impresoras de extrusión imprimen células capa por capa, al igual que la impresión 3D para crear construcciones 3D. Además de las células, las impresoras de extrusión también pueden usar hidrogeles infundidos con células. [7]

Métodos basados ​​en extrusión

La impresión basada en extrusión es una técnica muy común dentro del campo de la impresión 3D que implica extruir o forzar un flujo continuo de material sólido fundido o líquido viscoso a través de una especie de orificio, a menudo una boquilla o una jeringa. [17] Cuando se trata de bioimpresión basada en extrusión, hay tres tipos principales de extrusión. Estos son accionados neumáticamente, accionados por pistón y accionados por tornillo. Cada método de extrusión tiene sus propias ventajas y desventajas. La extrusión neumática utiliza aire presurizado para forzar la biotinta líquida a través de un agente de depósito. El aire utilizado para mover la biotinta debe estar libre de contaminantes. Los filtros de aire se usan comúnmente para esterilizar el aire antes de usarlo. [18]La extrusión accionada por pistón utiliza un pistón conectado a un tornillo guía. El movimiento lineal del pistón exprime material fuera de la boquilla. La extrusión impulsada por tornillo utiliza un tornillo sinfín para extruir el material. El movimiento de rotación fuerza el material hacia abajo y fuera de la boquilla. [19] Los dispositivos accionados por tornillo permiten el uso de materiales de mayor viscosidad y proporcionan un mayor control volumétrico. [17] Una vez impresos, muchos materiales requieren un paso de reticulación para lograr las propiedades mecánicas deseadas para la construcción, lo que se puede lograr, por ejemplo, con el tratamiento de agentes químicos o foto-reticulantes.

La extrusión directa es una de las técnicas de bioimpresión basadas en extrusión más comunes, en las que la fuerza presurizada dirige la biotinta para que fluya fuera de la boquilla e imprima directamente el andamio sin necesidad de fundición. [20] El bioink en sí mismo para este enfoque puede ser una mezcla de hidrogeles poliméricos, materiales de origen natural como el colágeno y células vivas suspendidas en la solución. [20]De esta manera, los andamios se pueden cultivar después de la impresión y sin necesidad de un tratamiento adicional para la siembra celular. Cierto enfoque en el uso de técnicas de impresión directa se basa en el uso de conjuntos de boquillas coaxiales o extrusión coaxial. La configuración de la boquilla coaxial permite la extrusión simultánea de biotintas de múltiples materiales, capaces de hacer andamios de varias capas en un solo paso de extrusión. [21]   El desarrollo de estructuras tubulares ha encontrado deseable la extrusión en capas lograda a través de estas técnicas por la variabilidad radial en la caracterización del material que puede ofrecer, ya que la boquilla coaxial proporciona un tubo interno y externo para el flujo de biotinta. [21]Las técnicas de extrusión indirecta para la bioimpresión requieren más bien la impresión de un material base de hidrogeles cargados de células, pero a diferencia de la extrusión directa, contiene un hidrogel de sacrificio que puede eliminarse fácilmente después de la impresión mediante extracción térmica o química. [22] La resina restante se solidifica y se convierte en la construcción impresa en 3D deseada.

Otros métodos de impresión

La bioimpresión basada en gotas es una técnica en la que la mezcla de biotinta de células y/o hidrogeles se colocan en gotas en posiciones precisas. Las más comunes entre este enfoque son las técnicas térmicas y piezoeléctricas de caída bajo demanda. [23] Las tecnologías térmicas utilizan señales de corta duración para calentar la biotinta, induciendo la formación de pequeñas burbujas que son expulsadas. La bioimpresión piezoeléctrica tiene una corriente de corta duración más bien aplicada a un actuador piezoeléctrico , que induce una vibración mecánica capaz de expulsar un pequeño glóbulo de biotinta a través de la boquilla. Un aspecto importante del estudio de los enfoques de bioimpresión basados ​​en gotitas es tener en cuenta las células de estrés térmico y mecánico dentro de la experiencia del biotinta cerca de la punta de la boquilla a medida que se extruyen.

La bioimpresión basada en láser se puede distinguir entre dos clases principales en general, las que se basan en tecnologías de transferencia celular o fotopolimerización . En la impresión láser de transferencia de células, un láser estimula la interfaz entre el material absorbente de energía (por ejemplo, oro, titanio, etc.) y la biotinta, que contiene un material de sacrificio. Esta 'capa donante' de sacrificio se vaporiza bajo la irradiación del láser, formando una burbuja a partir de la capa de biotinta que se deposita desde un chorro. [24]Las técnicas de fotopolimerización utilizan más bien reacciones fotoiniciadas para solidificar la tinta, moviendo la trayectoria del haz de un láser para inducir la formación de una construcción deseada. Ciertas frecuencias láser combinadas con reacciones de fotopolimerización se pueden llevar a cabo sin dañar las células cargadas en el material.

Tipos de bioimpresoras
Método de bioimpresión Modo de impresión Ventajas
Impresión directa Basado en extrusión Ejecución simple, sin fundición
Extrusión coaxial Basado en extrusión Formación de un solo paso de construcciones multicapa
Indirecto Basado en extrusión Requiere un 'material de sacrificio' removible para apoyar la formación estructural
Láser basado en láser Sin tensión de cizallamiento sobre las células suspendidas en tinta
Gotita basado en gotitas Control preciso sobre el flujo y la formación de andamios

Aplicaciones

Órganos trasplantables y órganos para investigación

Hay muchas aplicaciones para la bioimpresión 3D en el campo de la medicina. Un paciente infantil con una rara enfermedad respiratoria conocida como traqueobroncomalacia (TBM) recibió una férula traqueal creada con impresión 3D. [25] 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 vejiga modificados para reconstruir el órgano dañado. [26] Esta tecnología también se puede aplicar potencialmente a los huesos, la piel, los cartílagos y el tejido muscular. [27] 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. [28]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. [29] Investigadores israelíes construyeron un corazón del tamaño de un conejo con células humanas en 2019. [30]

En 2022 , se informó el primer éxito de un ensayo clínico para un trasplante bioimpreso en 3D que se hace a partir de las propias células del paciente, un oído externo para tratar la microtia [31] . [32]

Carne cultivada

Esta carne parecida a un bistec podría mitigar los problemas de impacto ambiental de la producción de carne y el bienestar animal .

La bioimpresión también se puede utilizar para carne cultivada . En 2021, se produjo una carne cultivada similar a un bistec, compuesta por tres tipos de fibras de células bovinas. La carne Wagyu -like tiene una estructura similar a la carne original. [33] [34]

Impacto

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 la impresión de 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 constituyentes 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. [35]Los hidrogeles sintéticos también son comunes, incluidos los geles basados ​​en PV. El Wake Forest Institute of Medicine evaluó la combinación de ácido con un reticulante basado en PV iniciado por UV y determinó que es un biomaterial adecuado. [36] 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. [10] 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 tal vez eliminar la necesidad de probar en animales. [10]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional