Contenido
- Transformando la medicina con impresoras 3D
- ¿Cómo funciona una impresora 3D?
- Hacer una oreja
- Diferencia entre un molde y un andamio
- Beneficios potenciales de las orejas impresas
- Imprimir una mandíbula inferior
- Prótesis e implantes
- Más ejemplos
- Bioimpresión con células vivas: un futuro posible
- Reemplazo de órganos y tejidos
- Algunos éxitos de la bioimpresión
- Imprimir partes del corazón
- Creando una córnea
- Beneficios de los mini órganos, organoides u órganos en un chip
- Una estructura que imita al pulmón
- Algunos desafíos para la bioimpresión
- Referencias
Linda Crampton enseñó ciencia y tecnología de la información a estudiantes de secundaria durante muchos años. Le gusta aprender sobre nuevas tecnologías.
Transformando la medicina con impresoras 3D
La impresión 3D es un aspecto interesante de la tecnología que tiene muchas aplicaciones útiles. Una aplicación fascinante y potencialmente muy importante de las impresoras 3D es la creación de materiales que se pueden utilizar en medicina. Estos materiales incluyen dispositivos médicos implantables, partes del cuerpo artificiales o prótesis e instrumentos médicos personalizados. También incluyen parches impresos de tejido humano vivo, así como mini órganos. En el futuro, es posible que se impriman órganos implantables.
Las impresoras 3D tienen la capacidad de imprimir objetos sólidos tridimensionales basados en un modelo digital almacenado en la memoria de una computadora. Un medio de impresión común es el plástico líquido que se solidifica después de la impresión, pero hay otros medios disponibles. Estos incluyen metal en polvo y "tintas" que contienen células vivas.
La capacidad de los impresores para producir materiales compatibles con el cuerpo humano está mejorando rápidamente. Algunos de los materiales ya se utilizan en medicina, mientras que otros aún se encuentran en etapa experimental. Muchos investigadores están involucrados en la investigación. La impresión 3D tiene el atractivo potencial de transformar el tratamiento médico.
¿Cómo funciona una impresora 3D?
El primer paso en la creación de un objeto tridimensional por una impresora es diseñar el objeto. Esto se hace en un programa CAD (Diseño asistido por computadora). Una vez finalizado el diseño, otro programa crea instrucciones para producir el objeto en una serie de capas. Este segundo programa a veces se conoce como programa de corte o software de corte, ya que convierte el código CAD de todo el objeto en código para una serie de cortes o capas horizontales. Las capas pueden contarse en cientos o incluso en miles.
La impresora crea el objeto depositando capas de material de acuerdo con las instrucciones del programa de corte, comenzando en la parte inferior del objeto y avanzando hacia arriba. Las capas sucesivas se fusionan. El proceso se conoce como fabricación aditiva.
El filamento de plástico se utiliza a menudo como medio para la impresión 3D, especialmente en impresoras orientadas al consumidor. La impresora derrite el filamento y luego extruye plástico caliente a través de una boquilla. La boquilla se mueve en todas las dimensiones a medida que libera el plástico líquido para crear un objeto. El movimiento de la boquilla y la cantidad de plástico que se extruye son controlados por el programa de la cortadora. El plástico caliente se solidifica casi inmediatamente después de que sale de la boquilla. Hay otros tipos de soportes de impresión disponibles para fines especiales.
La parte de la oreja que es visible desde el exterior del cuerpo se conoce como pabellón auricular o pabellón auricular. El resto de la oreja se encuentra en el cráneo. La función del pabellón auricular es recolectar ondas sonoras y enviarlas a la siguiente sección del oído.
Hacer una oreja
En febrero de 2013, científicos de la Universidad de Cornell en Estados Unidos anunciaron que habían podido hacer un pabellón auricular con la ayuda de la impresión 3D. Los pasos seguidos por los científicos de Cornell fueron los siguientes.
- Se creó un modelo de oreja en un programa CAD. Los investigadores utilizaron fotografías de oídos reales como base para este modelo.
- El modelo de oreja se imprimió con una impresora 3D, utilizando plástico para crear un molde con la forma de la oreja.
- Se colocó un hidrogel que contenía una proteína llamada colágeno dentro del molde. Un hidrogel es un gel que contiene agua.
- Los condrocitos (células que producen cartílago) se obtuvieron de la oreja de una vaca y se agregaron al colágeno.
- La oreja de colágeno se colocó en una solución nutritiva en una placa de laboratorio. Mientras la oreja estaba en la solución, algunos de los condrocitos reemplazaron al colágeno.
- Luego se implantó la oreja en la espalda de una rata debajo de su piel.
- Después de tres meses, el colágeno de la oreja había sido reemplazado por completo con cartílago y la oreja había mantenido su forma y distinción de las células de rata circundantes.
Diferencia entre un molde y un andamio
En el proceso de creación de orejas descrito anteriormente, la oreja de plástico era un molde inerte. Su única función era proporcionar la forma correcta para la oreja. La oreja de colágeno que se formó dentro del molde actuó como un andamio para los condrocitos. En la ingeniería de tejidos, un andamio es un material biocompatible con una forma específica y en el que crecen las células. El andamio no solo tiene la forma correcta, sino que también tiene propiedades que apoyan la vida de las células.
Desde que se realizó el proceso original de creación de orejas, los investigadores de Cornell han encontrado una manera de imprimir un andamio de colágeno con la forma correcta necesaria para hacer una oreja, eliminando la necesidad de un molde de plástico.
Beneficios potenciales de las orejas impresas
Las orejas fabricadas con la ayuda de impresoras podrían ser útiles para las personas que han perdido sus propias orejas debido a una lesión o enfermedad. También podrían ayudar a las personas que nacieron sin oídos o que no se han desarrollado adecuadamente.
Por el momento, las orejas de reemplazo a veces están hechas de cartílago en la costilla de un paciente. La obtención del cartílago es una experiencia desagradable para el paciente y puede dañar la costilla. Además, es posible que la oreja resultante no se vea muy natural. Las orejas también están hechas de un material artificial, pero una vez más, el resultado puede no ser completamente satisfactorio. Las orejas impresas tienen el potencial de parecerse más a las orejas naturales y de funcionar de manera más eficiente.
En marzo de 2013, una empresa llamada Oxford Performance Materials informó que habían reemplazado el 75% del cráneo de un hombre con un cráneo de polímero impreso. Las impresoras 3D también se utilizan para fabricar aparatos para el cuidado de la salud, como prótesis, audífonos e implantes dentales.
Imprimir una mandíbula inferior
En febrero de 2012, científicos holandeses informaron que habían creado una mandíbula inferior artificial con una impresora 3D y la habían implantado en el rostro de una mujer de 83 años. La mandíbula estaba hecha de capas de polvo de metal de titanio fundido por calor y estaba cubierta por un revestimiento de biocerámica. Los materiales biocerámicos son compatibles con el tejido humano.
La mujer recibió la mandíbula artificial porque tenía una infección ósea crónica en su propia mandíbula inferior. Los médicos consideraron que la cirugía de reconstrucción facial tradicional era demasiado riesgosa para la mujer debido a su edad.
La mandíbula tenía articulaciones para poder moverse, así como cavidades para la unión de los músculos y surcos para los vasos sanguíneos y los nervios. La mujer pudo decir algunas palabras tan pronto como se despertó de la anestesia. Al día siguiente pudo tragar. Se fue a casa después de cuatro días. Se programó la implantación de dientes postizos en la mandíbula en una fecha posterior.
Las estructuras impresas también se utilizan en la formación médica y en la planificación prequirúrgica. Un modelo tridimensional creado a partir de los escáneres médicos de un paciente puede ser muy útil para los cirujanos, ya que puede mostrar las condiciones específicas dentro del cuerpo del paciente. Esto puede simplificar una cirugía compleja.
Prótesis e implantes
La mandíbula de metal descrita anteriormente es un tipo de prótesis o parte del cuerpo artificial. La producción de prótesis es un área en la que las impresoras 3D están cobrando importancia. Algunos hospitales ahora tienen sus propias impresoras o están trabajando en cooperación con una empresa de suministros médicos que tiene una impresora.
La creación de una prótesis mediante impresión 3D suele ser un proceso más rápido y económico que la creación mediante métodos de fabricación convencionales. Además, es más fácil crear un ajuste personalizado para un paciente cuando un dispositivo está diseñado e impreso específicamente para la persona. Los escáneres hospitalarios se pueden utilizar para crear dispositivos personalizados.
Las extremidades de reemplazo a menudo se imprimen en 3D hoy en día, al menos en algunas partes del mundo. Los brazos y manos impresos suelen ser considerablemente más baratos que los producidos por métodos convencionales. Una empresa de impresión 3D está trabajando con Walt Disney para crear prótesis de manos coloridas y divertidas para niños. Además de crear un producto más económico que sea más asequible, la iniciativa tiene como objetivo "ayudar a los niños a ver sus prótesis como una fuente de emoción en lugar de vergüenza o limitación".
Más ejemplos
- A finales de 2015, se colocaron con éxito vértebras impresas en un paciente. Los pacientes también recibieron un esternón impreso y una caja torácica.
- La impresión 3D se utiliza para producir implantes dentales mejorados.
- Las articulaciones de la cadera de reemplazo a menudo se imprimen.
- Los catéteres que se ajustan al tamaño y la forma específicos de un pasaje en el cuerpo de un paciente pronto podrían ser comunes.
- La impresión 3D suele estar involucrada en la fabricación de audífonos.
Bioimpresión con células vivas: un futuro posible
La impresión con células vivas, o bioimpresión, está sucediendo hoy. Es un proceso delicado. Las celdas no deben calentarse demasiado. La mayoría de los métodos de impresión 3D implican altas temperaturas, que matarían las células. Además, el líquido portador de las células no debe dañarlas. El líquido y las células que contiene se conocen como biotinta (o bioink).
Reemplazo de órganos y tejidos
La sustitución de órganos dañados por órganos fabricados con impresoras 3D sería una revolución maravillosa en la medicina. Por el momento, no hay suficientes órganos donados disponibles para todos los que los necesitan.
El plan es tomar células del propio cuerpo del paciente para imprimir un órgano que necesite. Este proceso debería prevenir el rechazo de órganos. Es probable que las células sean células madre, que son células no especializadas que son capaces de producir otros tipos de células cuando se estimulan correctamente. La impresora depositaría los diferentes tipos de células en el orden correcto. Los investigadores están descubriendo que al menos algunos tipos de células humanas tienen una capacidad asombrosa para autoorganizarse cuando se depositan, lo que sería muy útil en el proceso de creación de un órgano.
Se utiliza un tipo especial de impresora 3D conocida como bioimpresora para producir tejido vivo. En un método común para fabricar el tejido, se imprime un hidrogel desde un cabezal de impresora para formar un andamio. Pequeñas gotas de líquido, cada una de las cuales contiene miles de células, se imprimen en el andamio desde otro cabezal de impresión. Las gotas pronto se unen y las células se unen entre sí. Cuando se ha formado la estructura deseada, se retira el armazón de hidrogel.Puede pelarse o lavarse si es soluble en agua. También se pueden utilizar andamios biodegradables. Estos se descomponen gradualmente dentro de un cuerpo vivo.
En medicina, un trasplante es la transferencia de un órgano o tejido de un donante a un receptor. Un implante es la inserción de un dispositivo artificial en el cuerpo del paciente. La bioimpresión 3D se encuentra en algún lugar entre estos dos extremos. Tanto "trasplante" como "implante" se utilizan cuando se hace referencia a artículos producidos por una bioimpresora.
Algunos éxitos de la bioimpresión
Los implantes muertos y las prótesis creadas por impresoras 3D ya se utilizan en humanos. El uso de implantes que contienen células vivas requiere más investigación, que se está realizando. Aún no se pueden fabricar órganos completos mediante impresión 3D, pero se pueden crear secciones de órganos. Se han impreso muchas estructuras diferentes, incluidos parches de músculo cardíaco que pueden latir, parches de piel, segmentos de vasos sanguíneos y cartílago de la rodilla. Estos aún no se han implantado en humanos. Sin embargo, en 2017, los científicos presentaron un prototipo de una impresora que puede crear piel humana para la implantación, y en 2018, otros científicos imprimieron córneas en un proceso que algún día podría usarse para reparar daños en los ojos.
En 2016 se informaron algunos descubrimientos esperanzadores. Un equipo de científicos implantó tres tipos de estructuras bioimpresas debajo de la piel de ratones. Estos incluían un pabellón auricular humano del tamaño de un bebé, un trozo de músculo y una sección del hueso de la mandíbula humana. Los vasos sanguíneos de los alrededores se extendieron a todas estas estructuras mientras estaban en los cuerpos de los ratones. Este fue un avance emocionante, ya que es necesario un suministro de sangre para mantener vivos los tejidos. La sangre transporta nutrientes a los tejidos vivos y elimina sus desechos.
También fue emocionante observar que las estructuras implantadas pudieron mantenerse vivas hasta que se desarrollaron los vasos sanguíneos. Esta hazaña se logró mediante la existencia de pequeños poros en las estructuras que permitían que los nutrientes ingresaran en ellas.
Imprimir partes del corazón
Creando una córnea
Los científicos de la Universidad de Newcastle en el Reino Unido han creado córneas impresas en 3D. La córnea es la cubierta transparente más externa de nuestros ojos. Los daños graves a esta cubierta pueden causar ceguera. Un trasplante de córnea a menudo resuelve el problema, pero no hay suficientes córneas disponibles para ayudar a todos los que las necesitan.
Los científicos obtuvieron células madre de una córnea humana sana. Luego, las células se colocaron en un gel hecho de alginato y colágeno. El gel protegió las células mientras viajaban a través de la única boquilla de la impresora. Se necesitaron menos de diez minutos para imprimir el gel y las células en la forma correcta. La forma se obtuvo escaneando el ojo de una persona. (En una situación médica, se escaneaba el ojo del paciente). Una vez que se imprimió la mezcla de gel y células, las células madre produjeron una córnea completa.
Las córneas creadas por el proceso de impresión aún no se han implantado en los ojos humanos. Probablemente pasará algún tiempo antes de que lo sean. Sin embargo, tienen el potencial de ayudar a muchas personas.
Estimular las células madre para que produzcan las células especializadas necesarias para crear una parte específica del cuerpo humano en el momento correcto es un desafío en sí mismo. Sin embargo, es un proceso que podría tener maravillosos beneficios para nosotros.
Beneficios de los mini órganos, organoides u órganos en un chip
Los científicos han podido crear mini órganos mediante impresión 3D (y mediante otros métodos). Los "mini órganos" son versiones en miniatura de órganos, secciones de órganos o parches de tejido de órganos específicos. Se les conoce por varios nombres además del término mini órgano. Es posible que las creaciones impresas no contengan todos los tipos de estructura que se encuentran en el órgano de tamaño completo, pero son buenas aproximaciones. Las investigaciones indican que podrían tener usos importantes, aunque no sean implantables.
Los mini órganos no siempre se producen a partir de células suministradas por un donante aleatorio. En cambio, a menudo se elaboran a partir de células de una persona que padece una enfermedad. Los investigadores pueden comprobar los efectos de los medicamentos en el mini órgano. Si se determina que un medicamento es útil y no dañino, se puede administrar al paciente. Este proceso tiene varias ventajas. Una es que se puede usar un medicamento que probablemente sea beneficioso para la versión específica de una enfermedad del paciente y para su genoma específico, lo que aumenta la probabilidad de un tratamiento exitoso. Otra es que los médicos pueden obtener un fármaco inusual o normalmente caro para un paciente si pueden demostrar que es probable que el fármaco sea eficaz. Además, probar medicamentos en mini órganos puede reducir la necesidad de animales de laboratorio.
Una estructura que imita al pulmón
En 2019, científicos de la Universidad Rice y la Universidad de Washington demostraron la creación de un mini órgano que imita un pulmón humano en acción. El mini-pulmón está hecho de un hidrogel. Contiene una pequeña estructura similar a un pulmón que se llena de aire a intervalos regulares. Una red de vasos llenos de sangre rodea la estructura.
Cuando se estimula, el pulmón simulado y sus vasos se expanden y contraen rítmicamente sin romperse. El video muestra cómo funciona la estructura. Aunque el organoide no es de tamaño completo y no imita todos los tejidos de un pulmón humano, su capacidad para moverse como un pulmón es un desarrollo muy importante.
Algunos desafíos para la bioimpresión
Crear un órgano que sea adecuado para la implantación es una tarea difícil. Un órgano es una estructura compleja que contiene diferentes tipos de células y tejidos dispuestos en un patrón específico. Además, a medida que los órganos se desarrollan durante el desarrollo embrionario, reciben señales químicas que permiten que su estructura fina y su intrincado comportamiento se desarrollen correctamente. Estas señales faltan cuando intentamos crear un órgano artificialmente.
Algunos científicos piensan que al principio, y tal vez durante algún tiempo, imprimiremos estructuras implantables que pueden realizar una sola función de un órgano en lugar de todas sus funciones. Estas estructuras más simples pueden resultar muy útiles si compensan un defecto grave en el cuerpo.
Aunque es probable que pasen años antes de que los órganos bioimpresos estén disponibles para implantes, es posible que veamos nuevos beneficios de la tecnología antes de esa fecha. El ritmo de la investigación parece ir en aumento. El futuro de la impresión 3D en relación con la medicina debería ser muy interesante a la par que apasionante.
Referencias
- Una oreja artificial creada por una impresora 3D y células de cartílago vivo de la Revista Smithsonian.
- Trasplante de mandíbula realizado con una impresora 3D de la BBC (British Broadcasting Corporation)
- Manos coloridas impresas en 3D de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos
- Bioprinter crea partes del cuerpo cultivadas en laboratorio a medida para trasplantes de The Guardian
- Primera córnea humana impresa en 3D del servicio de noticias EurekAlert
- La impresora 3D fabrica el hígado humano más pequeño de la historia de New Scientist
- Mini órganos impresos en 3D imitan el corazón y el hígado latidos de New Scientist
- Un órgano que imita los pulmones de Popular Mechanics
- La nueva impresora 3D crea tejido óseo, muscular y de oído de tamaño natural a partir de células vivas de Science Alert
- Bioimpresora 3-D para imprimir piel humana del nuevo servicio de phys.org
Este artículo es exacto y verdadero según el leal saber y entender del autor. El contenido es solo para fines informativos o de entretenimiento y no sustituye el asesoramiento personal o el asesoramiento profesional en asuntos comerciales, financieros, legales o técnicos.
