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Bioimpresión en 2020: tecnología e impresoras
En 2020, las tecnologías de bioimpresión 3D se desarrollaron rápidamente en velocidad y precisión. El progreso es tan innegablemente significativo que no hay duda de que pronto será posible producir órganos y tejidos completamente funcionales mediante la bioimpresión.
Para conocer los logros más importantes de 2020 en el campo de la bioimpresión 3D, lea este artículo.
Mapa mundial de bioimpresión
Fuente: 3DPrint.com
Este mapa fue desarrollado por 3DPrint.com , una revista en línea, que es un recurso de información de fama mundial especializado en bioimpresión 3D. El mapa muestra casi todas las empresas que se dedican al desarrollo de bioimpresoras y biointerfaces, desde centros reconocidos para el desarrollo de bioimpresión hasta empresas innovadoras que se esfuerzan por revolucionar las bioimpresoras y los materiales 3D.
Ingeniería de tejido cardíaco en la Universidad de Tel Aviv
Fuente: 3dprint.com
En abril de 2020, especialistas de la Universidad de Tel Aviv publicaron un artículo titulado » Impresión 3D de parches y corazones cardíacos personalizados, gruesos y perfundibles «. Las agencias de noticias, sin comprender la esencia del mensaje, difundieron la noticia de que los israelíes habían aprendido a imprimir corazones aptos para implantarlos. La realidad fue algo más modesta.
Hasta ahora, esta tecnología desarrollada por expertos israelíes permite:
- hacer bioenlaces personalizados y listos para imprimir utilizando los tejidos del paciente (y no necesariamente los tejidos del corazón, lo cual es bastante importante);
- Utilice estos bioenlaces para imprimir tejido cardíaco grueso y vascularizado, que es adecuado para su uso como parche cardíaco en cirugía cardíaca.
Los parches cardiovasculares ya son una realidad, el siguiente paso es imprimir un corazón completamente funcional.
Fuente: onlinelibrary.wiley.com
Esta tecnología tiene un enorme potencial tanto para el tratamiento de enfermedades cardíacas como para los trasplantes. La posibilidad de crear completamente un nuevo corazón a partir de los tejidos biológicos de un paciente elimina la necesidad de un donante y, además, proporciona una solución práctica a todos los problemas relacionados con la biocompatibilidad de los tejidos y el tamaño del órgano trasplantado.
Impresoras y tecnología
Multimaterial Multinozzle 3D (MM3D) del Wyss Institute
Fuente: Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica
Con la mayoría de las impresoras comerciales, es posible crear objetos usando un material a la vez, mientras que las impresoras de chorro que son capaces de imprimir con varios componentes están limitadas por la física de la formación de gotas. La impresión 3D por extrusión le permite imprimir utilizando una amplia gama de materiales, pero el proceso de impresión es muy lento.
Ahora se ha desarrollado una nueva tecnología llamada Multimaterial Multinozzle 3D (MM3D) en el Instituto Wyss de Harvard en cooperación con la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson. Esta tecnología se basa en el uso de válvulas de presión de alta velocidad y cabezales de impresión de múltiples boquillas, que a su vez también se fabrican mediante impresión 3D. Cada boquilla permite el uso de hasta ocho materiales diferentes, con la capacidad de cambiarlos hasta 50 veces por segundo.
Para demostrar su técnica, los investigadores imprimieron una estructura de origami Miura que consta de secciones de «panel» rígidas conectadas por secciones de «bisagra» muy flexibles. Anteriormente, era posible crear una estructura de este tipo solo con la ayuda del ensamblaje manual. En MM3D, el cabezal de impresión pudo imprimir todo el objeto en una sola sesión, utilizando ocho boquillas para extruir continuamente dos tipos de tinta epoxi, cuya rigidez difería en cuatro órdenes de magnitud después del curado.
Morfogénesis inducida por sonido (SIM) de mimiX Biotherapeutics
Fuente: mimixbio.com
Mark Turner, el fundador de la conocida empresa regenHU , ha lanzado una nueva startup: mimiX biotherapeutics . El proyecto fue diseñado para comercializar una nueva tecnología de bioprocesamiento llamada Morfogénesis Inducida por Sonido (SIM). Esta tecnología se basa en el proceso de creación de patrones biológicos bien definidos, que se forman independientemente en tejidos funcionales vivos cuando se exponen a ondas sonoras. SIM ofrece una estrategia muy eficaz para crear estructuras celulares densas y organizadas.
Los dispositivos bioterapéuticos MimiX utilizan ondas sonoras. El medio de cultivo celular se coloca en un tipo específico de altavoz y, según el sonido emitido y la forma del plato, se forman estructuras de varias formas: una rejilla, círculos concéntricos, etc.
Fuente: mimixbio.com
Fuente: mimixbio.com
Fuente: mimixbio.com
Según Turner, la bioimpresión con sistemas de dosificación convencionales es buena para la investigación científica, pero demasiado compleja para el uso clínico debido a problemas de escalabilidad, velocidad y alta complejidad de los procesos. Los sistemas basados en SIM están diseñados para simplificar y acelerar radicalmente el proceso de impresión. El dispositivo portátil es adecuado para cualquier oficina y su precio razonable garantiza una alta disponibilidad.
Bioimpresora Biopixlar de Fluicell
Fuente: Biopixlar
Fluicell , una empresa de biotecnología sueca, se especializa en el desarrollo de plataformas para la investigación del comportamiento celular. Introdujo Biopixlar, una tecnología de bioimpresión que le permite crear estructuras complejas similares a tejidos. Para controlar la posición de las celdas individuales en estas estructuras, puede utilizar un mando, como en un videojuego.
Biopixlar utiliza microfluidos que permiten controlar el material a nivel micro, gracias a la precisión de la bomba o tubo microfluídico a la hora de dirigir el flujo del biomaterial a la ejecución de la impresión. Con un control de nivel micro tan preciso, los sistemas escalan naturalmente al nivel macro, lo que permite crear impresiones de alta resolución. Además de eso, la tecnología le permite crear estructuras de múltiples componentes y hace posible crear los materiales dentro de la propia impresora, por lo que no hay necesidad de fabricar el material en el laboratorio. La cámara de microfluidos controla la mezcla de varios materiales. El resultado es una estructura impresa tridimensional completa, creada sin el uso de geles o andamios.
Las principales ventajas de la tecnología Biopixlar son:
- Sistema óptico de alta resolución: es posible crear incluso celdas individuales.
- Alta supervivencia celular: más del 95% de la cantidad original.
- Capacidad para crear modelos multicelulares. Puede extruir hasta tres tipos de celdas diferentes utilizando el mismo cabezal de impresión. Al cambiar el cabezal de impresión, puede imprimir nuevos tipos de celdas.
- Monitoreo en tiempo real. Es posible monitorear el proceso de impresión en tiempo real utilizando un sistema de imágenes fluorescentes multicolor.
Gracias a estas características, la tecnología es una herramienta perfecta para procesar materiales raros como células madre, células primarias y muestras de biopsia.
Bioimpresoras de CELLINK
Fuente: CELLINK
La empresa sueca CELLINK se especializa en el desarrollo de tecnologías de bioimpresión para una amplia variedad de industrias, desde la medicina hasta la cosmetología. Los productos de la empresa se utilizan para imprimir hígado, cartílago, tejido cutáneo y otros tipos de tejidos. En 2020, la compañía presentó dos nuevas bioimpresoras: Bio X6 y Lumen X.
Bio X6 está diseñado para realizar estructuras con cualquier tipo de célula, lo que permite producir cualquier tejido que se encuentre en el cuerpo. La compañía afirma que este nuevo desarrollo le permite combinar más materiales y herramientas y obtener resultados más rápido que nunca.
La impresora combina seis cabezales de impresión con la tecnología de cámara limpia patentada de CELLINK, dos potentes ventiladores que crean una presión de aire excesiva dentro de la cámara y tecnología de cabezal de repuesto inteligente. Es posible combinar varios materiales en una sola impresión con una arquitectura de mayor complejidad.
Fuente: CELLINK
La bioimpresora Lumen X es el resultado de la colaboración de CELLINK con la startup estadounidense Volumetric , una empresa especializada en el desarrollo de biopritners que utilizan tecnología SLA. A pesar del modesto tamaño y costo, la impresora combina alto rendimiento y alta precisión, que es esencial para la creación de estructuras vasculares.
Lumen X funciona con luz azul biocompatible, lo que le permite formar vasos ramificados complejos y capas de costura en una sola estructura diez veces más rápido que cualquier otro método de impresión.
Bioimpresora que produce trasplantes de orejas para pacientes con microtia
Fuente: 3dprint.com
Un equipo de la Universidad de Wollongong (UOW), Australia, ha desarrollado 3D Alek , una bioimpresora que produce oídos humanos para su uso en cirugía reconstructiva. La empresa utiliza células madre para crear los bioenlaces que se utilizan en el proceso de impresión.
La nueva tecnología, según los investigadores, puede revolucionar el tratamiento de niños con microtia. La microtia es un defecto congénito que hace que el oído externo deje de desarrollarse durante el primer trimestre del embarazo. El tratamiento de las deformidades del oído se asocia con dificultades importantes causadas por la forma compleja específica del órgano.
Las tecnologías de bioimpresión de orejas son sumamente prometedoras, ya que permiten diseñar y personalizar un injerto de oreja de acuerdo con la forma del rostro del paciente utilizando sus tejidos naturales. Estos factores darían como resultado un tiempo quirúrgico reducido y un resultado cosmético mejorado, además de ayudar a evitar problemas asociados con la búsqueda de un sitio donante de cartílago.
Bioinks
Bioenlace de tejido hepático de Allevi
Fuente: 3dprint.com
Los especialistas identifican más de 500 funciones vitales del hígado, desde el filtrado de sangre hasta la activación de enzimas. Debido a la complejidad de la producción, solo un puñado de investigadores y empresas se especializan en bioenlaces hepáticos. Uno de ellos es Allevi , una empresa de biotecnología con sede en Filadelfia. Ahora, ya puede comprar Allevi Liver dECM en la tienda en línea de la compañía. El producto permite crear estructuras similares a tejidos que replican las características naturales del tejido.
Estas estructuras se utilizan en el estudio de la actividad fisiológica de las células in vitro, que es crucial para comprender mejor el curso de las enfermedades y el desarrollo de fármacos y tratamientos más eficaces.
Bioenlaces sintéticos de Biogelx
Fuente: 3dprint.com
Biogelx se fundó en 2020 en las instalaciones de la Universidad de Strathclyde en Glasgow, Escocia. Se estableció con el fin de desarrollar y producir materiales sintéticos para bioimpresión tridimensional. Los bioenlaces de hidrogel de Biogelx tienen una capacidad de sintonización física y química única que le permite replicar con éxito varias características de los tejidos para que las células puedan interactuar con el medio ambiente, que es lo más natural posible.
Los bioenlaces de Biogelx proporcionan alta reproducibilidad, un método de reticulación simple y control de viscosidad. Además de eso, permiten mantener una alta viabilidad celular. No requieren la adición de agentes de reticulación reactivos, curado por UV, ajuste de pH o temperaturas extremas. Estas características garantizan que las tintas puedan ser compatibles con una amplia variedad de bioimpresoras 3D.
Hidrogel con nanopartículas minerales de TAMU
Fuente: 3dprint.com
Un equipo de investigadores de la Universidad de Texas A&M ( TAMU ) ha desarrollado un bioenlace de hidrogel que contiene nanopartículas minerales que pueden administrar proteínas terapéuticas para controlar el comportamiento celular. Estas tintas biológicamente activas se pueden utilizar para la creación de tejidos vascularizados para medicina regenerativa.
Los investigadores de TAMU han desarrollado una nueva clase de hidrogeles basados en un polímero inerte: polietilenglicol (PEG). La impresión 3D con tintas basadas en PEG es un desafío debido a la baja viscosidad de la tinta. Al tratar de superar esta limitación, el equipo descubrió que la adición de nanopartículas de silicato aumenta significativamente la viscosidad de los bioenlaces, casi evitando cualquier cambio en las características de las tintas. Esta tecnología permite curar las tintas rápidamente, lo que proporciona una mayor fidelidad estructural.
Bioinzuelos utilizados para la impresión de sustitutos de la piel del Instituto Politécnico Renssealaer
Fuente: Revista Smithsonian
Crear un sustituto de piel duradero de aspecto natural para cubrir quemaduras u otras lesiones ha sido el principal desafío en el campo de la bioingeniería durante décadas. Hoy en día, existen dos enfoques para tratar lesiones cutáneas a gran escala. El primer método son los injertos de piel autólogos, en los que los médicos extraen trozos de piel sana para cubrir el área dañada. El segundo son los sustitutos de la piel hechos de varios materiales, desde colágeno bovino hasta espuma de polímero. Ambos enfoques tienen serios inconvenientes. Los injertos de piel autólogos son dolorosos y provocan nuevas heridas. Los sustitutos de la piel suelen ser una solución temporal, ya que se ven muy diferentes a la piel humana natural y no pueden cubrir heridas más profundas.
Una nueva técnica de trasplante de piel promete cambios revolucionarios en el tratamiento de pacientes con quemaduras y otras lesiones. Un estudio realizado por especialistas del Instituto Politécnico Rensselaer ( RPI ) y la Universidad de Yale llevó a la creación de bioenlaces hechos de células humanas vivas. Esta tinta se utiliza para imprimir piel artificial, que luego puede hacer crecer su propio sistema vascular.
Los injertos de piel están hechos de dos tipos de bioenlaces, que contienen diferentes conjuntos de células humanas, suspendidas en colágeno de colas de rata. La primera tinta forma la capa interna de la piel (dermis) y el segundo tipo de tinta forma la capa externa (epidermis). Luego, en la placa de Petri, las capas se fusionan para crear el injerto terminado. Los experimentos con ratones mostraron que los vasos sanguíneos de la piel cultivada artificialmente crecieron conectados con los propios vasos sanguíneos de los ratones en cuatro semanas. Eso significa que el injerto puede convertirse en una parte completamente funcional del cuerpo dentro de este período.
Bioimpresión en el espacio
Fuente: Soluciones de bioimpresión 3D
En Rusia, el concepto de «bioimpresión» está estrechamente relacionado con 3D Bioprinting Solutions , la única empresa rusa en el mapa mundial de bioimpresión. Fundada en 2020, presentó FABION , la primera bioimpresora rusa, en 2020. Esta impresora sigue siendo conocida como una de las más multifuncionales del mundo.
En la primavera de 2020, el laboratorio de 3D Bioprinting Solutions imprimió y trasplantó con éxito una construcción orgánica de una glándula tiroides de ratón. El informe sobre este logro fue presentado el 7 de marzo de 2020 en el Centro Nacional de Metrología de Brasil.
En 2020, se desarrolló un cabezal de impresión para extruir automáticamente esferoides de tejido para la bioimpresión tridimensional. Se usó en una versión actualizada de la bioimpresora, llamada FABION-2 , que también incluye una interfaz HMI, nuevo software, un cabezal de impresión para impresión de dos componentes y otras características.
Después de la creación de FABION-2 , los científicos e ingenieros comenzaron a desarrollar una bioimpresora fundamentalmente nueva que utiliza tecnología de levitación magnética. La impresora ofrece una oportunidad para el autoensamblaje de micro-tejidos y micro-órganos a partir de esferoides tisulares. El primer prototipo se lanzó en otoño de 2020 y, en marzo de 2020, se completó el ensamblaje de la primera bioimpresora magnética completamente funcional. El 12 de abril del mismo año, fue presentado en el simposio «Biofacturing in space» en Skolkovo.
Fuente: Soluciones de bioimpresión 3D
En agosto de 2020, se firmó un acuerdo con RCS Energia para realizar un experimento de biofabricación espacial a bordo del segmento ruso de la ISS. Durante el año siguiente, el impresor llamado Organ.Aut se preparó para trabajar en gravedad cero. Los miembros de la tripulación principal y de respaldo del barco Soyuz MS-11, Alexey Ovchinin y Oleg Kononenko, fueron capacitados con éxito en el laboratorio de Soluciones de Bioimpresión 3D . En diciembre de 2020, se lanzó el experimento «Bioimpresora magnética» en la ISS. Durante este experimento se imprimieron las muestras de la glándula tiroides de ratón, así como cartílago humano y tejido óseo.
Fuente: top3dshop.ru
Además de esto, el equipo realizó experimentos sobre la impresión 3D de tejido muscular bovino.
Opinión del experto
Yusef Khesuani, cofundador y socio gerente de 3D Bioprinting Solutions
Según Yusef Khesuani , cofundador y socio gerente de 3D Bioprinting Solutions , estos experimentos son «un trampolín hacia la producción sostenible de productos cárnicos cultivados durante las expediciones al espacio profundo y las primeras colonias en la Luna y Marte». También habló sobre el uso de la impresión 3D en la investigación médica:
«En 2020, la llamada bioimpresión in situ se llevó a cabo en Moscú; este es un método en el que la bioimpresión se realiza directamente en una herida en el quirófano. En este caso, el proceso es controlado por un robot manipulador especial que aplica material biológico a la superficie lesionada según un modelo digital dado. De esta manera, por ejemplo, es posible realizar la reposición de defectos cutáneos en lesiones ulcerativas ”.
En Rusia, un experimento de este tipo se llevó a cabo en animales de laboratorio (más de 50 ratones) por primera vez y mostró resultados prometedores.
En 2020, planean repetir este experimento en animales más grandes, por ejemplo, minicerdos.
Una de las aplicaciones más interesantes de la impresión 3D en medicina es la oportunidad de utilizar la tecnología de bioimpresión para reemplazar la función perdida de órganos endocrinos, como la glándula tiroides, páncreas, ovarios, etc. En 2020, demostramos la posibilidad fundamental de restaurar la función de la glándula tiroides perdida después del trasplante de una construcción impresa. En 2020, científicos de Chicago pudieron restaurar la función ovárica trasplantando una construcción ovárica bioimpresa que contenía folículos maduros. Sin embargo, cabe señalar que estos estudios aún se encuentran en la etapa de pruebas preclínicas y se están llevando a cabo exclusivamente en animales de laboratorio «.
Conclusión
En 2020, la impresión 3D con materiales vivos y biocompatibles continuó desarrollándose. Puede ofrecer cada vez más perspectivas no solo para la medicina y campos relacionados, sino también, por ejemplo, para la industria alimentaria. Por ejemplo, el cultivo de carne a partir de células individuales elimina la necesidad de sacrificar animales, un desarrollo de importancia crucial, ya que puede ayudar a resolver los problemas éticos y alimentarios que enfrenta la humanidad en la actualidad.
Los campos de aplicación de las bioimpresoras no se limitan a la transplantología, así como a la medicina en general.
La investigación y el desarrollo en el campo de la bioimpresión 3D continúan, y en 2020 definitivamente se nos presentarán aún más descubrimientos.
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