La primera patente en el campo de la bioimpresión 3D se otorgó en 2006 a la universidad americana de Clemson

La impresión 3D en medicina ya no es ciencia ficción

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El desarrollo de prótesis, el diseño de guías quirúrgicas, la odontología, la ingeniería de tejidos… La impresión en 3D es un área con un rápido crecimiento en múltiples campos del ámbito biomédico. La profesora de la UAH, Gemma Pascual, del grupo de investigación GITBIT, explica los distintos tipos de aplicaciones y dónde se encuentran las dificultades.

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Profesora, la impresión 3D ha irrumpido con mucha fuerza en el ámbito biomédico. En la actualidad, ¿qué soluciones está aportando la impresión en 3D? ¿Y en el futuro, que nos puede esperar?

La impresión 3D se incluye dentro de las tecnologías de fabricación denominadas aditivas que implican el desarrollo, mediante la superposición de capas sucesivas de material en los tres ejes del espacio, de modelos físicos con formas complejas.

Los mayores avances en el ámbito biomédico se han producido en la creación de prótesis personalizadas que se adaptan a las necesidades reales del paciente

Para empezar, es importante diferenciar la impresión 3D convencional que se ha utilizado durante décadas, cuya tecnología está muy avanzada y que actualmente se utiliza con éxito en múltiples aplicaciones médicas, de la bioimpresión 3D o ‘bioprinting’ que, en lugar de depositar materiales inertes, implica la utilización de materiales biológicos y células vivas, constituyendo una tecnología innovadora para abordar problemas de salud, pero que aún se encuentra en una etapa incipiente.

En el caso de la impresión 3D no biológica, los mayores avances en el ámbito biomédico se han producido en la creación de prótesis personalizadas que se adapten a las necesidades reales del paciente. Las prótesis dentales y las diseñadas para la sustitución de tejidos resistentes han sido las más susceptibles de ser fabricadas mediante este tipo de tecnología. Prótesis para la reconstrucción de tejido óseo y cartilaginoso han sido ya utilizadas con éxito empleando en su fabricación materiales cerámicos biocompatibles, como la hidroxiapatita, o polímeros más maleables y degradables en condiciones fisiológicas, como la policaprolactona.

Otro ámbito de fuerte desarrollo es el diseño de guías quirúrgicas basadas en imágenes médicas para la planificación de cirugías especialmente complicadas o delicadas, que disminuyen el riesgo de complicaciones y acortan el tiempo de la cirugía real. Todas estas posibilidades ya están siendo ofertadas en el momento actual en muchos servicios médicos a nivel mundial.

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Háblenos de la bioimpresión 3D

La bioimpresión 3D se está aplicando a la ingeniería tisular y medicina regenerativa para abordar la necesidad de tejidos y órganos adecuados para el trasplante y la fabricación de modelos de tejido de alto rendimiento para investigación farmacológica y toxicológica. Este tipo de impresión, en comparación con la impresión no biológica, implica complejidades adicionales y se desarrolla como una herramienta prometedora, permitiendo la colocación de células, biomateriales y señales bioactivas con alta resolución espacial, que recrean la microarquitectura del tejido nativo.

La bioimpresión 3D se está aplicando a la ingeniería tisular y medicina regenerativa para abordar la necesidad de tejidos y órganos adecuados para el trasplante

Este tipo de tecnología utiliza  las denominadas biotintas o ‘bioinks’, que permiten la impresión de una suspensión celular en una construcción tisular con o sin un soporte previo. Factores condicionantes en la creación de estas biotintas son la biocompatibilidad y viabilidad celular junto a la necesidad de funcionalización de las mismas para poder incorporar señales bioquímicas o bioactivas que guíen el comportamiento celular.

Abordar todas estas dificultades requiere multidisciplinariedad, con la consecuente integración de tecnologías de diferentes campos de la ingeniería biomédica, biología celular y molecular, bioquímica, fisiología, ciencia de los materiales, nanotecnología, cirugía y medicina.

La bioimpresión 3D ofrece un gran potencial a esta demanda creciente de métodos de fabricación alternativos para el desarrollo de tejidos y órganos, con requerimientos altamente complejos y con un control preciso de su estructura, mecánica y composición biológica.

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Se trata de tecnologías muy novedosas…

Así es. La primera patente en el campo de la bioimpresión 3D se otorgó en 2006 a la universidad americana de Clemson y consistió en un método para desarrollar una matriz celular viable mediante impresión por chorro de tinta, pero no fue hasta 2014 cuando la empresa Organovo Holdings, Inc. comercializó esta tecnología lanzando al mercado el ‘exVive3DTM Human Liver Tissue’, un modelo de tejido hepático para investigación médica y farmacológica. Actualmente, la empresa también ha creado tejido renal humano para el mismo fin (‘ExVive™ Human Kidney Tissue’) y está trabajando activamente en el desarrollo de tejido muscular y piel artificial.

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Tejidos de repuesto, órganos de repuesto, se abre un mundo de infinitas posibilidades …¿Qué retos hay que afrontar?

A pesar de ser conscientes de los grandes desafíos que quedan todavía por cumplir, hay cierto optimismo sobre la capacidad de este campo de investigación para generar un impacto positivo en la salud humana.

Las limitaciones que se están encontrando en este tipo de avances son múltiples: desde el punto de vista técnico, los materiales son una limitación  porque es difícil encontrar un biomaterial adecuado que presente las propiedades mecánicas requeridas en un determinado tejido y en el que a la vez se pueda trabajar con células humanas. Otro problema añadido es que determinados tipos de células potencialmente útiles son muy susceptibles al proceso de bioimpresión directa y son incapaces de sobrevivir al mismo.

Uno de los mayores problemas a los que se enfrenta la bioimpresión 3D es la vascularización

Todavía existe el gran desafío de producir no solo un producto biocompatible de calidad superior para el cuerpo humano, sino también la creación de tejidos vivos que retengan sus funciones biológicas. Uno de los mayores problemas a los que se enfrenta la bioimpresión 3D es la vascularización. Sin la existencia de un sistema vascular -una vía para suministrar nutrientes y eliminar productos de desecho- las células vivas en el interior de una estructura de tejido 3D morirán rápidamente, lo que condiciona enormemente su viabilidad a largo plazo.

Aunque la obtención de órganos 3D trasplantables en humano es todavía un objetivo muy lejano a alcanzar en el tiempo, se están realizando progresos importantes en los últimos años que nos indican que la investigación está avanzando en la dirección adecuada.

Una figura importante en el campo de la bioimpresión 3D, el doctor Atala, anunció en 2011 que el Instituto Americano Wake Forest de Medicina Regenerativa que dirige, había iniciado una larga etapa hacia la creación artificial de órganos humanos. Hoy en día científicos de esta institución están trabajando para diseñar más de 30 tejidos y órganos de reemplazo diferentes. En 2016, el instituto anunció la bioimpresión exitosa en 3D de estructuras de tejido vivo de orejas, huesos y músculos que, cuando se implantaron en animales, maduraron en tejido funcional y desarrollaron un sistema de vasos sanguíneos. En este ámbito, EEUU y China son los países más prolíficos en investigación, con más patentes registradas.

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El grupo de investigación GITBIT-UAH, al que usted pertenece, liderado por el catedrático de Cirugía de la UAH, el doctor Bellón, desarrolla una línea con gran experiencia en la reparación de defectos de pared abdominal, y en este campo también irrumpe la bioimpresión 3D con fuerza…

La reparación de hernias abdominales constituye uno de los procedimientos quirúrgicos más frecuentes a nivel mundial. Las mallas quirúrgicas se han convertido en un elemento de rutina en toda reparación herniaria para dar soporte mecánico y funcional a la zona dañada y es cierto que estos materiales protésicos tienen un gran potencial para ser candidatos para impresión especializada en 3D.

La reparación de hernias abdominales constituye uno de los procedimientos quirúrgicos más frecuentes a nivel mundial

Las mallas creadas con la tecnología de impresión 3D podrían ser fabricadas en tiempo real, bajo demanda, utilizando materiales biocompatibles permanentes o de absorción, solos o en combinación. Se podrían personalizar a la anatomía específica del paciente, adaptándose a las medidas intraoperatorias, incluso permitir su refuerzo en las áreas de sutura.

Adicionalmente, dependiendo de las condiciones locales del entorno de la herida, las mallas creadas con este tipo de tecnología podrían ser funcionalizadas con antisépticos, antibióticos y otras sustancias bioactivas, agentes farmacológicos o factores de crecimiento, actuando como medidas profilácticas para evitar complicaciones asociadas a la cirugía herniaria o incluso ser el armazón de poblaciones celulares, que puedan favorecer el proceso de reparación tisular.

Los recientes avances en este proceso de fabricación de mallas pretenden optimizar el proceso de reparación herniaria disminuyendo costos, agregando eficacia y adaptando su desarrollo a las necesidades individuales del paciente.

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