Bio
impresión 3D: importancia en la actualidad
Bio
3D printing: importance today
Cesar Loo Gil
https://orcid.org/0000-0001-8396-5972
RESUMEN
El trasplante de órganos y
tejidos para ofrecer solución a heridas y deficiencias es un inconveniente que
con urgencia se debería intentar, puesto que todavía hay problemas en el
proceso, como la escasez de donantes y el peligro que provoca el rechazo inmunológico.
La implementación de órganos y tejidos artificiales indica una mejor calidad de
vida en los pacientes, no obstante, es necesario de una técnica de manufactura
que posibilite el desarrollo de construcciones complicadas. La técnica de
impresión 3D da solucionar las restricciones recientes en el desarrollo de
órganos y tejidos, debido a que posibilita integrar células en los
biomateriales para la regeneración de distintas construcciones biológicas. Esta
revisión resume los estudios más importantes y el avance en el desarrollo de
implantes, prótesis e ingeniería de tejidos por medio de impresión 3D, se
introduce a los diversos biomateriales empleados en la manufactura aditiva, así
como las múltiples técnicas de impresión usadas en aplicaciones biomédicas.
Palabras
clave: impresión 3D; dispositivos médicos; biomateriales
ABSTRACT
The
transplantation of organs and tissues to offer a solution to wounds and
deficiencies is an issue that should be urgently attempted, since there are
still problems in the process, such as the shortage of donors and the danger
caused by immunological rejection. The implementation of artificial organs and
tissues indicates a better quality of life for patients,
however, a manufacturing technique is needed to enable the development of
complicated constructions. The 3D printing technique provides a solution to
recent restrictions in the development of organs and tissues, since it makes it
possible to integrate cells into biomaterials for the regeneration of different
biological constructions. This review summarizes the most important studies and
progress in the development of implants, prostheses and tissue engineering by
means of 3D printing, introduces the various biomaterials used in additive
manufacturing, as well as the multiple printing techniques used in biomedical
applications.
Keywords: 3D printing; medical
devices; biomaterials
1.
INTRODUCCION
Las tecnologías de salud son
primordiales para un sistema de salud en adecuado manejo. Especialmente, los
dispositivos doctores son cruciales en la prevención, diagnóstico y
procedimiento de patologías, así como en la rehabilitación de pacientes. La
demanda mundial de dispositivos doctores experimenta un aumento constante en
los últimos años impulsada por el envejecimiento poblacional y el progreso
tecnológico. Esta tendencia está significando adelantos relevantes en el
desarrollo de las biotintas y en la optimización de
las técnicas de deposición de estas.
Las biotintas
se elaboran con una extensa gama de materiales. Los dispositivos doctores
tienen la posibilidad de agruparse en 2 gigantes conjuntos: a) esos en que para
su preparación prescinden de células, ejemplificando, las prótesis o órtesis y b) esos cuya preparación necesita que se agreguen
células. Generalmente, para la preparación de un dispositivo doctor, las biotintas tienen que exponer ciertas características como
la función de procesarse a temperatura ambiente, que se logre imprimir rebordes
y tener un cierto nivel del control de la microestructura. En la literatura se
hallan revisiones acerca del estado de la técnica de preparación y
procesamiento de biotintas en los cuales se destaca
la información relacionada con la ingeniería de tejidos y medicina regenerativa.
Generalmente, las
biotintas están basadas en materiales poliméricos naturales y sintéticos; sin
embargo, Poologasundarampillai y Nommeots-Nomm en 2017 presentaron una
discusión de los materiales impresos en 3D con los que se elaboran implantes
para reparación y regeneración de tejidos en los que se incluían metales y
cerámicos, además de los polímeros. Por un lado, los materiales cerámicos, como
el fosfato de calcio, se imprimen a través del procesamiento de polvos,
incluida la impresión por Fusión Selectiva por Láser (selective laser
melting, SLM) presentan complicaciones derivadas de la química del
aglutinante. Por otro lado, los metales y sus aleaciones, que tradicionalmente
son usados para la elaboración de los dispositivos médicos como las Ti6Al4V,
acero inoxidable 316L, aleación CoCr, ven limitado su uso para impresión por
3D, debido a que las técnicas de procesamiento incluyen fusión de haz de
electrones (electron beam melting, EBM) además de SLM, las cuales
emplean equipos sofisticados y costosos. Los autores indicaron que los
materiales derivados de magnesio y hierro son candidatos potenciales para
elaborar dispositivos médicos implantables a partir de metales, ya que estos
materiales están diseñados para controlar la velocidad de su degradación; sin
embargo, la bioacumulación y la consiguiente toxicidad de los productos de la
degradación y la nueva interfaz formada después de la degradación aún deben
investigarse a fondo. Por lo anterior, el presente trabajo de revisión está
enfocado en los dispositivos médicos basados en materiales poliméricos.
De este modo, Gopinathan y Noh analizaron los
reportes de biotintas basadas en polímeros utilizadas en la impresión 3D para
aplicaciones en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa. Los autores
enlistaron varios trabajos recientes en los que se emplean biotintas elaboradas
a partir de materiales poliméricos naturales (agarosa, alginato, colágeno,
ácido hialurónico, fibrina, celulosa, seda, matriz extracelular) y polímeros
sintéticos y establecieron que la ingeniería de tejidos y medicina
regenerativa, en particular, necesitan un gran número de células específicas,
lo que limita su uso en diferentes tejidos y órganos. Mientras que el estado
del arte de las propiedades de los biomateriales poliméricos empleados como biotintas
analizado por Mukherjee y col. (2019) los llevó a deducir que la semejanza de
los polímeros naturales con la matriz extracelular es alta, por lo que producen
una adecuada bioactividad; mientras que los polímeros sintéticos aumentan la
integridad mecánica en la bioimpresión y eliminan las limitaciones de
fabricación. Por otro lado, la revisión de Ashammakhi y col. (2019) destaca
avances importantes la elaboración de biotintas heterogéneas para fabricar
construcciones de tejido biomimético. Estos autores han determinado que es
importante desarrollar biotintas con la propiedad de reducción de la viscosidad
aparente con una tasa de cizallamiento creciente y que además posea
características biológicas deseadas para diferentes aplicaciones de ingeniería
de tejidos. Ya que, desafortunadamente, la mayoría de los hidrogeles que se han
utilizado para la bioimpresión 3D se degradan en 3 semanas. Según Martins y
col., el abordaje de este problema incluye el uso de fibras de refuerzo o
nanopartículas ya que aseguran
que los andamios 3D nanoestructurados imitan los entornos biológicos, con
propiedades fisicoquímicas mejoradas. Además, que son capaces de
funcionalizarse para una mejor respuesta celular.
Los avances en imagenología médica y software de
diseño 3D han proporcionado una oportunidad sin precedentes para la atención al
paciente mediante la impresión de dispositivos médicos. La impresión 3D se basa
en el principio de la fabricación en capas, es decir, los materiales se
superponen capa por capa hasta formar el modelo deseado. Mediante esta
tecnología se puede fabricar cualquier estructura compleja con ayuda de un
diseño asistido por computadora (CAD) o tomografía computarizada (TC). Los
métodos convencionales de trabajo con máquinas y de fundición difícilmente
crean una estructura tridimensional con forma compleja, con porosidad
controlada, distribución controlada de tamaño de poros y de estructura
inclinada; lo que sí es posible obtener mediante impresión 3D. Además de la
precisión de impresión, la tecnología 3D ofrece velocidad y costos de
fabricación reducidos, lo cual permite grandes avances en una gran variedad de
dispositivos
médicos (figura 1).
Figura
2 Esquema general de bioimpresión 3D, (-) aplicaciones
que pueden o no llevar células.
Por
ello, este proceso representa la manera más novedosa de fabricación de dispositivos
médicos. En la literatura se encuentran varios trabajos de revisión acerca de
las técnicas de impresión 3D (figura 2), también conocida como manufactura aditiva, para desarrollar
dispositivos biomédicos en las que predomina el enfoque hacia la ingeniería de
tejidos. La impresión 3D o fabricación aditiva de dispositivos médicos es cada
vez más común y la tecnología está transitando del laboratorio al mercado,
según lo presentado por Di Prima y col. en la revisión de la perspectiva de las
entidades regulatorias acerca del avance de esta tecnología médica que no está
exenta de las regulaciones y consideraciones técnicas aplicables.
Figura
3 Gráfico de tendencia de diversas técnicas de impresión
3D empleadas con frecuencia en aplicaciones biomédicas.
2.
METODOLOGÍA
La
metodología utilizada consta de búsqueda de información de paper, revistas,
análisis de aplicaciones actuales y páginas web especializadas para entender
su funcionamiento, el nivel de desarrollo obtenido en la actualidad y cuáles
son sus principales aplicaciones. Además, se emplean análisis de modelos
estratégicos acordes para analizar el atractivo de las industrias en la
adopción de la tecnología y así determinar a través de modelos de análisis
de negocio cuáles son las industrias en que tendrá mayor incidencia.
La
búsqueda de la información para la revisión de literatura se hizo
consultando las siguientes bases de datos como son Proquest, Scopus y Google
Scholar para encontrar revistas del más alto nivel científico. Asimismo, cabe
mencionar que para la realización de lo mencionado se emplearon también
palabras clave como como Computación en la nube, Contrato de servicios, Privacidad,
ser humano.
Cada
uno de estos descriptores se combinaron entre sí durante la búsqueda
utilizando los operadores boléanos “and” y “or”. Además, algunos de los
criterios o filtros que se utilizaron para hacer muchos más específica la
búsqueda y ser más precisos con los documentos encontrados en las diferentes
bases de datos consultadas fueron: que sean artículos de revistas, y la
antigüedad de la publicación que no sea mayor a 5 años.
Toda la información previa relacionada a los filtros aplicados y las especificaciones sirvieron como criterios de inclusión, es decir que sean artículos publicados en revistas científicas, que no excedan los cinco años de antigüedad, que la temática guarde relación con las variables de creatividad artística y tiempos de pandemia. Se excluyeron, en tanto, todos los documentos que no respetaran lo postulado así como aquellos que estaban incompletos o que tenían enlaces averiados.
3.
RESULTADOS Y DISCUSION
3.1
Impresión 3D
3.1.1 Nociones básicas
La
impresión 3D (término introducido a la terminología MeSH en 2015) se define
como “un conjunto de procesos usados para realizar un objeto físico
tridimensional, también conocido como «prototi- pado rápido»”. Esto se
realiza mediante la aplicación capa por capa de un material sólido a
temperatura ambiente, con un punto de fusión conocido con- trolado por un
sistema computarizado para crear dicho objeto.
Esta técnica fue desarrollada
originalmente para imprimir capas secuenciales finas de material, seguido de un
proceso de curado con luz ultravioleta para formar sólidas estructuras
tridimensionales al que se denominó “estereolitografía”, descrita por primera
vez en 1986 por Charles W. Hull. Con el transcurso de los años, esta técnica
ha evolucionado a pasos agigantados y se ha logrado volverla más rápida y
compleja.
La elaboración de objetos
mediante impresión 3D se realiza a partir de un archivo cuya base estructural
es un modelo tridimensional virtual viable, en el caso de su aplicación en
medicina, son requeridos los estudios de imagen de un paciente para crear un
molde a la medida. Un modelo no es sino la representación digital de lo que se
planea imprimir mediante algún programa computarizado para modelarlo.
En la actualidad existe una
amplia variedad de programas de cómputo especializados, útiles en este
proceso principalmente los de tipo CAD (computeraided design o diseño asistido por
computadora) y los de tipo CAM (computeraided manufacturing o fabricación
asistida por computadora) de uso extendido
en el área de las ingenierías, ejecutables y modificables en diversas
plataformas como BLENDER® y AutoCAD®, los archivos resultantes son utilizados
como base en el diseño de diversos objetos compatibles con la impresión en
tercera dimensión.
Desde que fue posible combinar
impresión 3D con la tecnología tipo CAD/CAM, se ha intentado fabricar
estructuras tridimensionales biomiméticas (con imitación anatomofuncional de
un tejido) únicas del tejido u órgano que se desea replicar, utilizando las
imágenes médicas de los pacientes para intentar preservar al máximo su
anatomía. La resonancia magnética nuclear (RMN), la tomografía axial
computarizada (TAC) y otras imágenes radiográficas son las principales
fuentes para obtener información volumétrica tridimensional de tejidos y
órganos. La información obtenida mediante estos recursos se almacenan en un
archivo de imágenes digitales (archivo .DICOM, por sus siglas en
inglés) que después se utilizan para desarrollar el modelo CAD mediante un
proceso de ingeniería inversa. Así, este proceso transforma la “anatomía
analítica” en “anatomía sintética”.
Este tipo de archivos son, por
definición, un constructo tridimensional, virtual e intangible. Actualmente la
impresión 3D es una herramienta que nos permite, mediante un programa de
impresión especial, construir un modelo a partir de lo virtual a lo tangible.
Para esto es necesario convertir el diseño o modelo a un formato o “idioma”
conocido por la impresora con un archivo de extensión STL (Stereolitography).
A partir de este formato, la im- presora ejecuta los comandos para la
construcción de cualquier modelo, en coordenadas milimétricas englobadas en
el espacio de impresión conforme a los ejes X, Y y Z (figura 2)
Figura 1.
Ejemplo de reconstrucción a partir de una TC de cráneo con cortes sagitales,
coronales y axiales en Invesalius© versión 3.1 que es un software libre de
ingeniería reversa que utiliza una secuencia de archivos 2D tipo DICOM para
generar volúmenes o superficies como archivos de mallas para crear modelos
físicos de la anatomía del paciente utilizando TFA. InVesalius fue
desarrollado en CTI (Centro de Tecnología de la Información Renato Ar- cher)
en 2007, un instituto de investigación del Centro de Ciencia y Tecnología de
Brasil y está disponible sin costo en la página de inicio del Portal de
Software Público. La licencia del software es CC-GPL 2.
La impresora
3D consiste esencialmente de un brazo robótico multieje o mejor conocido como
robot cartesiano (con 3 ejes X,Y,Z) con una boquilla extrusora, una fuente de
energía, y un sustrato para depositar el material fundido5.
En la
mayoría de los casos de impresión 3D se utilizan materiales termoplásticos,
que como su nombre lo indica, adquieren la forma semilíquida a temperaturas
mayores a los 120 oC, convirtiéndo- lo en un material fácilmente aplicable
mediante la boquilla extrusora que va depositando finas capas sobre una
plataforma hasta la construcción del mo- delo, que se endurece a medida que la
temperatura del material disminuye. Esta técnica permite utili- zar materiales
termoplásticos como el PLA (ácido poliláctico), ABS (acrilonitrilo butadieno
estireno), HDPE (polietileno de alta densidad), metales sinté- ticos, e
inclusive materiales comestibles o fármacos.
3.1.2 Aplicaciones
de los modelos 3D en medicina
Hasta la
fecha existen más de 80 artículos indizados en PUBMED que indican las
distintas aplicaciones médicas de las impresiones 3D en la medicina, las
cuales pueden agruparse de forma general en 3 categorías:
Modelos anatómicos
Los modelos
3D pueden emplearse con fines educativos, tanto para pacientes como para
estudiantes, médicos en adiestramiento y cirujanos, y pueden jugar un papel
importante en el proceso de reconstrucción de casos quirúrgicos complejos.
Estos modelos asisten al cirujano en demostrar la complejidad de los casos al
paciente y a sus familiares, también son excelentes auxiliares para entender
la naturaleza del procedimiento por médicos en entrenamiento y especialistas.
Planeación preoperatoria
La
impresión 3D se ha introducido recientemente en el campo quirúrgico como una
herramienta para una mejor comprensión de cualquier anomalía subyacente
compleja. Esto puede mejorar y facilitar la calidad diagnóstica y ayudar en la
planificación prequirúrgica. Se ha demostrado su aplicación y be- neficio en
la cirugía craneofacial y maxilofacial. Los primeros estudios en cirugía ortopédica, neu-
rocirugía, cirugía de columna, cirugía cardiovascu- lar y cirugía
abdominal, demostraron una mejora significativa en el diagnóstico y tratamiento
debido a una mejor apreciación de la estructura afecta- da, mayor precisión y
posibilidad de una adecuada planificación previa13-18. Simular todos los pasos
quirúrgicos complicados por adelantado usando modelos prototipo puede ayudar a
prever complicaciones intra y postoperatorias. Esto puede resultar en una
reducción del tiempo cirugía que permite un uso rentable de las salas19,20.
El empleo de placas en las fracturas articulares complejas, como las de
acetábulo, osteotomías en displasia del desarrollo de la cadera u
osteotomías de alineación, son un claro ejemplo de su utilización dado que
permite la planeación del premoldeado de las placas de osteosíntesis –incluso
antes de esterilizarlas–, la selección del implante ideal de acuerdo con sus
dimensiones, la longitud de los tornillos, la direccionalización y sitios de
cuidado en su manejo.
Investigación médica
La
impresión 3D abre nuevas oportunidades para las actividades de investigación
científica, pudiendo ayudar a elucidar los procesos fisiológicos que aún no
se entienden completamente. La hemodinámica puede ser investigada, por
ejemplo, mediante RM de
velocidad codificada o por mediciones de flujo óptico
en modelos transparentes.
3.1.3
Implantes
Si
bien la función de un implante es restablecer el funcionamiento de alguna
estructura biológica, actualmente también permite mejorar la estética gracias a
la técnica de impresión 3D. Puesto que dicha técnica no sólo permite adaptar el
implante a las necesidades del paciente, sino que lo vuelve único al
desarrollarlo según las condiciones anatómicas de quien lo requiere. Lo
anterior se torna sumamente importante en los implantes donde los resultados
estéticos son notables, tal es el caso de los implantes craneofaciales.
Los
implantes craneofaciales han evolucionado de manera acelerada en los últimos
años, pues a través la impresión 3D se han desarrollado implantes hechos a la
medida, permitiendo el tratamiento de secuelas de la extirpación tumoral y la
pérdida de tejido óseo. En al año 2017, Abdullah y col. evaluaron las
propiedades físicas y mecánicas de la poliamida 12 con zirconia y β-Fosfato
tricálcico (β-TCP), para su aplicación en reconstrucción craneofacial mediante
impresión 3D. La poliamida 12 presenta gran tenacidad, mientras que el β-TCP
mejora la adhesión celular y la proliferación debido a su similitud con el
hueso humano. El implante craneofacial depende de la condición anatómica del
paciente, además debe contar con características mecánicas adecuadas y una
superficie que permita la adhesión celular, la manufactura aditiva permite
obtener dichas condiciones en el implante.
En la
actualidad, los defectos cardíacos sean congénitos o no, representan un grave
problema para la sociedad. Puesto que el mal funcionamiento de las válvulas
cardíacas, las paredes del corazón o las venas y arterias que irrigan a dicho
órgano, puede provocar la interrupción total del flujo sanguíneo. Por tal
motivo, en el año 2018, Faletti y col., obtienen un anillo aórtico mediante
impresión 3D a partir de imágenes de tomografía computarizada cardiovascular
para el remplazo valvular aórtico. Los anillos aórticos se fabricaron mediante
la técnica de deposición fundida de filamentos de poliuretano (PU). El diámetro
del anillo aórtico medido en los modelos 3D mostró una concordancia adecuada
con la medición de los anillos de la tomografía computarizada cardiovascular.
La impresión 3D de anillos aórticos mediante tomografía computarizada
cardiovascular, ofrece información confiable y específica para cada caso
clínico. Un año más tarde, Sun y col., fabrican un oclusor biodegradable para
defectos cardiacos mediante la técnica de impresión tridimensional, con la
finalidad de evaluar su bioseguridad en un modelo animal. Se empleó como
biomaterial el copolímero PLLA-TMC-GA, permitiendo una adecuada impresión de
oclusores biodegradables para defectos cardiacos con una biocompatibilidad
adecuada.
Puesto
que la rodilla es la articulación más vulnerable del cuerpo humano, es
necesario el desarrollo de implantes que permitan restaurar su adecuado
funcionamiento, es decir, su movilidad sin padecer dolor. Sin embargo, uno de
los principales inconvenientes en el desarrollo de implantes de rodilla es la
susceptibilidad del material al desgaste. Por tal motivo, con frecuencia son
usados diversos compuestos poliméricos para la fabricación de implantes de
rodilla mediante manufactura aditiva. En el año 2018, Borges y col. emplean una
mezcla polimérica de policarbonato de uretano poroso (PCU) y polietileno de
ultra alto peso molecular (UHMWPE) para la fabricación de menisco artificial de
rodilla. Se encontró que es factible fabricar meniscos artificiales basados en
PCU/UHMWPE mediante impresión 3D.
La
técnica de impresión 3D también es empleada en el desarrollo de implantes
dentales, tal es el caso de Yan y col., que en el año 2019 desarrollan nuevos
rellenos dentales personalizados con acción terapéutica prolongada utilizando
la impresión 3D, esto debido a la alta incidencia de la caries dental. Se
obtuvieron moldes molares de PLA o ABS mediante escaneo 3D, los rellenos
dentales de Tinidazol (TNZ) fueron fabricados por prensado térmico utilizando
los moldes personalizados impresos en 3D. Los rellenos dentales desarrollados
fueron capaces de liberar Tinidazol durante una semana. La manufactura aditiva
se puede emplear para fabricar rellenos dentales con alta resistencia mecánica
y liberación de fármacos personalizada. Además de contar con un bajo costo y
con una gran variedad de materiales para la impresión 3D.
3.1.4 Prótesis
La impresión 3D promete transformar la forma
convencional en que las prótesis son desarrolladas, ya que posee un gran
potencial de personalización, bajo costo y una rápida fabricación. Esta técnica
de manufactura permite el desarrollo de prótesis de miembros superiores e
inferiores con una adaptación adecuada a la anatomía de cada paciente, prótesis
con capacidad de liberar fármacos e incluso prótesis con una estructura
compleja como son las endoprótesis tubulares, es
decir, los stents.
Prótesis de miembros superiores e inferiores
El objetivo de una prótesis es suplir la forma
anatómica del miembro superior o inferior, así como facilitar la movilidad del
paciente. Dicho objetivo es fácil de lograr con la técnica de impresión 3D,
pues permite que la prótesis se adapte a cada caso clínico. En el año 2018, Alvial y col., evalúan el rendimiento de dos prótesis de
silicona impresas mediante la tecnología de impresión 3D de un paciente con
amputación parcial de la mano no dominante. Se tomaron moldes de alginato y tomografías computarizadas de la mano del
paciente, luego, cada prótesis candidata se modeló y posteriormente se fabricó
utilizando una combinación de piezas de silicona impresas en 3D. Se demostró
que la fabricación de prótesis impresas en 3D es una buena técnica para mejorar
el tratamiento clínico de pacientes con amputaciones parciales de la mano.
Colombo y col. reportaron la aplicación de un entorno asistido por computadora,
llamado Socket Modelling Assistant
2 (SMA2), en un paciente transfemoral, el cual
consiste en la implementación de un conjunto de reglas de diseño extrapoladas
del proceso de desarrollo tradicional de prótesis. Esto hace que el proceso de
diseño sea más confiable y repetible y, al mismo tiempo, lo suficientemente
parecido al proceso tradicional para ser aceptado por los protésicos.
Prótesis orbitales
Si bien, el desarrollo de prótesis de miembros
inferiores y superiores mediante la tecnología de impresión 3D ha experimentado
un gran auge en los últimos años, Kim y col. en el año 2019 apuestan por las
prótesis orbitales personalizadas a través de la impresión tridimensional. La
extirpación quirúrgica del contenido ocular y orbital es inevitable en casos
como tumores orbitales malignos u oftalmía simpática, este último caso se trata
de la inflamación del conducto uveal que se produce en un ojo después de una
lesión o cirugía en el otro ojo. Por tal motivo, se utiliza una prótesis
orbital para reconstruir las características faciales de los pacientes cuya
órbita se ha eliminado parcial o totalmente. En dicho estudio se desarrolló un
proceso personalizado para la fabricación de prótesis orbitales mediante diseño
asistido por computadora (CAD) y la tecnología de impresión 3D. Se diseñó un
molde para ser impreso en 3D con una resina biocompatible,
la prótesis orbital se fabricó inyectando material de silicona también biocompatible en la cavidad del molde, cabe mencionar, que
los datos del rostro del paciente fueron escaneados mediante un escáner
portátil. Este método remplaza la mayoría de los pasos del proceso convencional
por un proceso rápido, preciso y además no daña el tejido del paciente, ya que
los métodos de fabricación tradicionales emplean alginato
para crear la impresión, causado molestias en el paciente.
Stents
El
tratamiento adecuado a la oclusión arterial es un problema contemporáneo.
Puesto que los stents establecidos incluyen stents metálicos y stents
liberadores de fármacos, sin embargo, las endoprótesis tubulares cargadas
directamente con el fármaco pueden causar una liberación no controlada del
mismo, además, de provocar reestenosis debido al andamio metálico del stent.
Por tal razón, un stent ideal tendría la capacidad de reducir la reestenosis,
degradarse completamente con el tiempo, ser un fuerte soporte vascular y
mantener la liberación de un medicamento durante el proceso de curación
vascular. Debido a las necesidades en la fabricación de stents anteriormente
mencionas, en el año 2015 Park y col. desarrollan un stent capaz de liberar
fármacos de forma controlada, basado en materiales biocompatibles y
biodegradables utilizando un sistema de impresión 3D. El andamio del stent fue
de policaprolactona (PCL) y fue recubierto con el fármaco sirolimus mezclado
con poli-lactida-co-glicolido (PLGA) y polietilenglicol (PEG). El stent
biodegradable y liberador de fármacos fue analizado y probado in vivo, y
demostró ser efectivo en experimentos con animales. Los resultados indicaron
que la cinética de liberación del fármaco sirolimos con el que fue recubierto
el stent, mostró un perfil de liberación sostenida. Además, los resultados
sugieren que el stent desarrollado es útil para tratar la trombosis y puede ser
un andamio prometedor. De igual manera, se demostró que la técnica de impresión
3D produce con éxito stents de estructura compleja y podría utilizarse para la
fabricación de stents liberadores de fármaco.
El
interés por el desarrollo de stents poliméricos ha experimentado un crecimiento
exponencial, pues cada vez más personas con obstrucción de arterias requieren
stents en sus vasos sanguíneos. Los stents comerciales presentan diversos
inconvenientes, por ejemplo, el stent de andamio metálico insertado en el
organismo humano no se puede extraer, lo cual provoca reestenosis, además,
causa dificultades en algunas inspecciones médicas, como en la obtención de
imágenes por resonancia magnética. Por tal motivo, se busca utilizar diversos
materiales poliméricos biodegradables en el desarrollo de stents para superar
las limitaciones que los stents con andamio metálico provocan. En el año 2019, Park
y col. desarrollan un stent polimérico biodegradable impreso mediante
tecnología 3D, con un sensor de presión inalámbrico integrado, diseñado para
aplicaciones avanzadas de monitoreo de la salud. En dicho estudio se fabricó un
stent basado en policaprolactona (PCL), con un recubrimiento de fármaco similar
al de los stents liberadores de fármacos, y un sensor de presión inalámbrico de
poli D-lactida (PDLA) que permite la medición en tiempo real de la presión
dentro del vaso sanguíneo. Sus resultados muestran que el sensor inalámbrico
fabricado se une estrechamente a las paredes internas del stent debido a su
alta flexibilidad, además, se absorbe completamente en el cuerpo a lo largo del
tiempo. La tecnología de impresión 3D permite la fabricación de stents con una
estructura de malla compleja, a diferencia de los procesos tradicionales.
Sistemas
de liberación de fármacos
El
uso de tratamientos convencionales para el cáncer, como la quimioterapia o la
resección quirúrgica, con frecuencia ocasionan efectos secundarios no deseados
en el paciente. Por tal motivo, la búsqueda de nuevos tratamientos con acción
localizada ha generado gran interés entre los investigadores. Los científicos
han analizado muchos métodos para mejorar el encapsulamiento y trasporte de
medicamentos con el fin de mejorar el perfil de liberación.
Recientemente,
se ha prestado gran atención al control de la estructura tridimensional (3D) y
al diseño de diferentes formas en 3D en las dimensiones a nano y microescala de
los acarreadores de fármaco. Los investigadores buscan que el control de la
forma y tamaño de las partículas acarreadoras aumente la eficacia de los
fármacos, especialmente los diseñados para combatir el cáncer.
En un
estudio realizado en el año 2018 por Yang y col., se fabricó un implante hueco
en forma de bala con una superficie porosa mediante impresión 3D. El
dispositivo fue cargado con el agente quimioterapéutico citoxano (CTX), como
matriz alcohol tetradecílico o lecitina y fue recubierto con ácido poliláctico
(PLA). Posee un tiempo de liberación de fármaco de 4 horas a más de un mes, la
liberación de fármaco del implante se puede controlar fácilmente cambiando el tamaño
de los poros, el tipo de matriz y el espesor del recubrimiento. En dicho
estudio se combinó de manera exitosa la técnica de impresión 3D y el
recubrimiento para fabricar implantes intratumorales.
3.1.5 Ingeniería
de tejidos
En la actualidad, existe un desafío importante
para la medicina a nivel mundial: la escasez de donantes para trasplantes de
órganos y tejidos. Los científicos han encontrado en la impresión 3D, o
manufactura aditiva, la tecnología para afrontar dicho desafío, puesto que
permite personalizar tejidos y órganos, además se pueden colocar arreglos
celulares para promover el crecimiento celular, disminuyendo así la posibilidad
de rechazo al órgano o tejido trasplantado. La combinación de la ingeniería de
tejidos y la técnica de impresión 3D ha significado un gran avance para la
medicina actual. Puesto que se ha buscado corregir defectos en huesos,
cartílagos y diafragma, desarrollar sustitutos de córnea y fabricar estructuras
cerebrales, ya que la bioimpresión es una técnica que permite la impresión de
materiales biodegradables con células en tejido 3D.
Un prerrequisito básico, y quizá el mayor
desafío actual, para la supervivencia y la función de construcciones de tejidos
u órganos por impresión 3D es el establecimiento de vasos sanguíneos. La
bioimpresión en 3D con redes vasculares que se asemejen a estructuras in vivo
permitirá la circulación sanguínea dentro de las construcciones de tejido. Miri
y col. en el 2019 han presentado una interesante revisión acerca de las
combinaciones de técnicas de bioimpresión en 3D y el modelado de factores
proangiogénicos, en donde los autores discuten que, para mantener la formación
a largo plazo de nuevos capilares, se debe tener controlados los estímulos con
factores proangiogénicos.
El
cerebro es un órgano enormemente complejo estructurado es varias capas de
tejido, encargado de controlar y regular la mayoría de las funciones del
cuerpo. Por tal motivo, desde el año 2015, Lozano y col., han buscado
desarrollar un modelo in vitro del cerebro para la comprensión de su
funcionamiento a nivel de órgano y tejido. En dicho estudio, se demostró un
nuevo método para para realizar una bioimpresión de estructuras 3D tipo cerebro
que consisten en capas de células neurales primarias encapsuladas en
hidrogeles. Las estructuras se construyeron en una tinta biológica basada en un
biopolímero modificado; goma gellan y RGD (RGD-GG). Se encontró que la
modificación peptídica del hidrogel de goma gellan tiene un profundo efecto
positivo sobre la proliferación de las células primarias neuronales, así como
en la formación de redes. Estas estructuras similares al cerebro brindan la
oportunidad de reproducir microestructuras 3D más precisas, con diversas aplicaciones
que van desde estudios de comportamiento celular hasta la comprensión de las
lesiones cerebrales y diversas enfermedades neurodegenerativas.
Tres
años más tarde, en el año 2018, Ho y col. buscan también el desarrollo de
estructuras cerebrales. En dicho estudio, se sintetizó un gel de poliuretano
(PU) biodegradable y se coextruyó con los plásmidos FoxD3 y fibroblastos
humanos. Forkhead box D3 (FoxD3) es un factor de transcripción y un marcador de
la cresta neural, que reprograma los fibroblastos humanos en células similares
a la cresta neural. Los resultados mostraron que los fibroblastos humanos
podían reprogramarse en células similares a tallos de la cresta neural. La
construcción de tejido similar al tejido neural por bioimpresión 3D de
fibroblastos humanos, puede aplicarse a la detección de fármacos así como a la
neurorregeneración.
Las
hernias diafragmáticas son una gran preocupación, ya que se trata de un defecto
que permite que los órganos del abdomen se desplacen a la cavidad torácica
poniendo en riesgo la vida del paciente. Por tal razón, en el año 2018, Xiu y
col. buscan dar solución a las hernias diafragmáticas de neonatos que a menudo
requieren el cierre del defecto quirúrgico con un parche. La eficacia clínica
de los parches existentes está limitada por el material extraño y por la
recurrencia de la hernia. Por tal motivo, en el estudio de Xiu y col., utilizan
un nuevo método de bioimpresión 3D para generar parches de tejido sin andamios,
compuestos de células humanas. Los parches celulares basados en fibroblastos
dérmicos humanos normales (NHDF, CC-2509) y células endoteliales de la vena
umbilical (HUVEC, C2517A) en una solución de gelatina, se trasplantaron en
ratas con defectos diafragmáticos creados quirúrgicamente. Las ratas pudieron
sobrevivir durante más de 710 días después de la implantación del parche. Los
resultados demuestras que los parches celulares creados mediante impresión 3D
con seguros y efectivos para la reparación de los defectos diafragmáticos.
La
córnea es una parte esencial para la visión y, la ceguera corneal provocada por
traumas o enfermedades afecta a millones de personas alrededor del mundo. En el
año 2018, Sorkio y col., buscan fabricar un sustituto de córnea mediante
impresión 3D, produciendo tejidos que simulan la córnea utilizando células
madre humanas y la técnica de bioimpresión asistida por láser. Se emplearon
células madre epiteliales (hESC-LESC) como fuente celular para imprimir
estructuras que imitan al epitelio, mientras que para construir estructuras que
imiten el estroma se utilizaron células madre derivadas del tejido adiposo
(hASCs). Luego de 7 días en cultivos de órganos porcinos, las estructuras se
unieron al tejido del huésped. Este estudio demuestra la viabilidad de la
impresión 3D para aplicaciones corneales utilizando células madre humanas. Por
otro lado, en el año 2018 Dehghani y col., desarrollan una membrana mediante
impresión 3D como alternativa a la membrana amniótica, para la reconstrucción
de la superficie ocular. La membrana amniótica se emplea en el área de la
oftalmología para reconstruir y trata las lesiones de la superficie ocular, ya
sea en la córnea o conjuntiva, es decir, la membrana que cubre la cámara
anterior del globo ocular. El trasplante de membrana amniótica en una lesión de
la superficie ocular disminuye la gravedad de la lesión y evita el trasplante
de córnea. En dicho estudio, se obtuvo una membrana impresa en 3D basada en una
mezcla de gelatina, hialuronato de sodio y elastina, para la reconstrucción de
la conjuntiva y realizar una comparación con la membrana amniótica, que como ya
mencionó, se emplea normalmente para el tratamiento de lesiones. Se evaluaron
las propiedades físicas y mecánicas de las membranas impresas, así como la
proliferación y adhesión in vitro de las células. De igual manera, se realizó
una evaluación in vivo mediante la implantación de las membranas en defectos inducidos
en conejos. Se encontró que las membranas impresas tenían características
ópticas favorables, además, los niveles de inflamación fueron bajos. La
membrana a base de gelatina, hialuronato de sodio y elastina, ofrece
características físicas y mecánicas necesarias para la construcción exitosa de
la superficie ocular y puede considerarse una alternativa prometedora para el
tratamiento de lesiones en la superficie ocular.
La
ingeniería de tejidos y la impresión 3D también buscan dar solución a los
defectos de huesos y cartílagos, puesto que dichos defectos causan con
frecuencia un movimiento limitado y una función deteriorada. Por ello, Liu y
col. en el año 2019, desarrollan un andamio de tres capas utilizado la
impresión 3D de múltiples boquillas basada en extrusión. El andamio fue basado
en un hidrogel de gelatina metacrilada (GelMA) con nanopartículas de
hidroxiapatita (nHA), (GelMA/ nHA) y, fue colocado en conejos. Se evaluaron las
propiedades físicas, mecánicas y biológicas del andamio y, se encontró que los
andamios eran apropiados para reparar los defectos del cartílago y los tejidos
óseos subcondrales. La reparación in vivo de los defectos osteocondrales dio
como resultado la regeneración de los tejidos en los defectos, buena integridad
con el tejido circundante, matriz extracelular del cartílago altamente
depositada y abundante colágeno tipo II. En el mismo año Lai y col., buscan
desarrollar una posible solución a un trastorno ortopédico llamado
osteonecrosis, se trata de una enfermedad de los huesos que puede causar dolor
o limitar la actividad física provocada por la pérdida del suministro de sangre
a los huesos. Por tal motivo, en dicho estudio formulan un andamio poroso de
magnesio (Mg), polilactida-co-glicolida (PLGA) y fosfato β-tricálcico (β-TCP)
mediante impresión 3D con la técnica de deposición capa por capa. La liberación
de iones magnesio se analizó de forma in vitro, mientras que la bioseguridad
luego de la implantación, las propiedades osteogénicas y angiogénicas, se
evaluaron en un conejo. Los resultados mostraron que el andamio de
Mg/PLGA/β-TCP poseía una buena estructura física y propiedades mecánicas
adecuadas, de igual manera el andamio promovió el crecimiento de nuevos vasos
sanguíneos a las 4 semanas después de la implantación, mientras que a las 12
semanas mostró que podría mejorar significativamente la formación del hueso y
fortalecer las propiedades mecánicas óseas recién formadas. El andamio
desarrollado por Lai y col. promete ser un biomaterial competente en la
reparación de defectos óseos. Chen y col. en el año 2019, buscan también lograr
la regeneración de los defectos osteocondrales causados por enfermedades
degenerativas. En este estudio se desarrolla con éxito un biocerámico de
silicato de calcio y litio (Li2Ca4Si4O13, L2C4S4) mediante un método de
impresión 3D. El soporte biológico L2C4S4 mostró una biodegradabilidad
controlada y una buena capacidad de mineralización de apatita, a cierta
concentración los productos iónicos del andamio L2C4S4 estimularon la
proliferación y maduración de los condrocitos. Así mismo, se promovió la
regeneración de cartílago y hueso subcondral. Estos resultados sugieren que el
andamio desarrollado por Chen y col. representa un prometedor biomaterial para
la reconstrucción de la interfaz osteocondral.
Si
bien se han descrito diversos estudios donde se ha desarrollado una diversidad
de tejidos, órganos, prótesis e implantes mediante la tecnología de impresión
3D, la fabricación de conductos nerviosos aún parece algo lejano de lograr. Sin
embargo, para Xu y col. esto fue posible, pues en el año 2019 desarrollan un
conducto nervioso impreso en 3D con liberación de fármaco para promover la
regeneración nerviosa. El desarrollo de conductos nerviosos promete superar los
defectos de los nervios periféricos que causan discapacidad.
Se
fabricó un conducto nervioso basado en gelatina metacrilada (GelMA) con
nanopartículas cargadas con RGFP966 (R-NP) para promover la remielinización de
las células de Schwann mediante la activación de PI13K-AKT-ERK. Este conducto
nervioso presentaba una superficie interna alineada direccionalmente con
fibras, personalizada con un procesamiento de luz digital (DLP) basado en
impresión 3D. Este estudio demuestra la factibilidad y eficacia de las R-NP
para regenerar los conductos nerviosos dañados, así como las ventajas de
personalización que ofrece la tecnología de impresión 3D.
En la Tabla 1,
se presenta un resumen de las aplicaciones de dispositivos médicos
desarrollados mediante la técnica de impresión 3D o manufactura aditiva, se
menciona también el biomaterial empleado para la impresión de implantes,
prótesis y tejidos, así como la técnica de impresión utilizada.
Tabla 1 Clasificación de dispositivos médicos desarrollados
mediante impresión 3D.
|
CATEGORÍA |
APLICACIÓN |
MATERIAL |
TÉCNICA DE IMPRESIÓN |
|
|
Implantes |
Craneales |
Biomaterial para reconstrucción craneofacial |
Poliamida 12- Zirconia-β-TCP |
Modelado por deposición fundida (c, FDM
por sus siglas en inglés) |
|
Cardíacos |
Anillo
aórtico basado en mediciones de tomografía computarizada cardiovascular |
Poliuretano
(PU) |
Modelado
por deposición fundida (Fused deposition
modelling, FDM por sus siglas en inglés) |
|
|
Oclusor biodegradable para defectos
cardíacos |
PLLA-TMC-GA (PLTG) |
- |
||
|
De
rodilla |
Mezcla
polimérica para menisco artificial de rodilla |
Policarbonato
de uretano (PCU) Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) |
Modelado
por deposición fundida (Fused deposition
modelling, FDM por sus siglas en inglés) |
|
|
Dentales |
Moldes personalizados para rellenos
dentales |
Ácido poliláctico
(PLA) |
Modelado por deposición fundida (Fused deposition modelling, FDM por sus siglas en inglés) |
|
|
Sistemas de |
Para
liberación controlada de fármaco |
Implante
en forma de bala hueca con superficie porosa cargado de un agente
quimioterapéutico |
Citoxano (CTX) Alcohol tetradecílico Ácido poliláctico |
- |
|
Prótesis |
Miembros superiores e inferiores |
Prótesis de silicona impresas mediante
la tecnología de impresión 3D de un paciente con amputación parcial de la mano |
Alginato y silicona |
- |
|
Dentales |
Prótesis
dental liberadora de fármaco |
Polimetilmetacrilato (PMMA), microesferas de policaprolactona
(PCL) y anfotericina-B (Am-B) |
- |
|
|
Orbitales |
Prótesis orbital personalizada |
Silicona |
Procesamiento de luz digital (DLP)
basado en impresión 3D |
|
|
Endoprótesis tubulares |
Stent
biodegradable liberador de fármaco |
Policaprolactona (PCL),
fármaco sirolimus mezclado con poli-lactida-co-glicolida (PLGA) y polietilenglicol (PEG) |
- |
|
|
Stent polimérico biodegradable con sensor de
presión |
Policaprolactona (PCL) y poli-D-lactida
(PDLA) |
- |
||
|
Ingeniería |
Estructuras
cerebrales |
Estructura
en forma de cerebro a partir de células neuronales primarias encapsuladas en
hidrogeles |
Solución
RGD-GG combinada con neurona cortical primaria |
Proceso
de impresión simple y manual utilizando dos reticuladores
iónicos |
|
Hidrogel para fabricación de
estructuras tipo neural a partir de fibroblastos humanos |
Poliuretano (PU1500) Fibroblastos
humanos |
Extrusión |
||
|
Diafragma |
Parche
para regeneración de diafragma |
Fibroblastos
dérmicos humanos normales (NHDF, CC-2509), células endoteliales de la vena
umbilical humana (HUVEC, C2517A), cultivados y recubiertos en solución de
gelatina |
Método Kenzan |
|
|
Sustituto de cornea |
Tejido que simula cornea |
Células madre (hESC-LESC),
(hASCs) |
Laser-assisted
bioprinting (LaBP) Laser induced forward transfer
(LIFT) |
|
|
Membrana
impresa en 3D como alternativa para el tratamiento de lesiones en la
superficie ocular |
Gelatina,
hialuronato de sodio y elastina |
- |
||
|
Huesos y cartílago |
Andamio de múltiples capas para la
reparación de defectos osteocondrales |
Hidrogel de gelatina metacrilada (GelMA) y nanohidroxiapatita (nHA), GelMA/nHA |
Extrusión |
|
|
Andamio
poroso para la reparación de defectos óseos |
Magnesio
(Mg), polilactida-co-glicolida (PLGA) y fosfato β-tricálcico (β-TCP) |
Deposición
capa por capa |
||
|
Andamio para la reconstrucción osteocondral |
Silicato de calcio y litio (Li2Ca4Si4O13) |
- |
||
|
Conductos
nerviosos |
Conducto
nervioso impreso en 3D con liberación de fármaco para promover la
regeneración nerviosa |
Gelatina metacrilada (GelMA) con nanopartículas cargadas con RGFP966 (R-NP) |
Procesamiento
de luz digital (DLP) basado en impresión 3D |
|
Nota: (-) Técnica de impresión no especificada.
3.1.6 Limitaciones de la impresión 3D
Esencialmente se comentan 3 limitantes en la impresión
3D: las dimensiones del objeto a imprimir, el tiempo y los costo. La impresión
3D sólo puede aplicarse a estructuras que no excedan ciertas di- mensiones ya
que las impresoras no son capaces de producir modelos extremadamente grandes,
como el cuerpo entero. La limitación se supera actualmente al producir una
versión en miniatura de una estructura grande mediante posprocesado o dividiendo
el modelo completo en partes más pequeñas que se pueden combinar después de
la impresión.
Una limitación importante son el tiempo y el costo que
se invierte en la generación de objetos 3D. En la actualidad, el uso
generalizado de prototipos rápidos para la planificación quirúrgica o el
diseño de implantes individuales no parece justi- ficarse porque los
procedimientos de planificación estándar o los implantes estándar son
suficientes. Sin embargo, en los casos complicados, los costos adicionales
pueden compensarse por los tiempos operativos reducidos y una mayor tasa de
éxito del procedimiento quirúrgico.
El tiempo necesario para producir un objeto 3D también
limita su uso en cirugía a casos electivos y lo hace inadecuado para
situaciones de emergencia.
LA
BIOIMPRESIÓN 3D: UN PASO HACIA EL FUTURO, MÁS ALLÁ DE LA IMPRESIÓN 3D, DE
LA MANO DE LA MEDICINA REGENERATIVA
La medicina regenerativa (término introducido a la MeSH
en 2004) se define como “el campo de la medicina relacionado con el desarrollo
y uso de estrategias dirigidas que tienen como objetivo la reparación o
reemplazo de órganos, tejidos y células dañados, enfermos o metabólicamente
deficientes a través de la ingeniería de tejidos, trasplante de células, u
órganos artificiales o bioartificiales y tejidos”.
Para lograr este objetivo, los andamios biomédicos
hechos de polímeros naturales o sintéticos se han utilizado habitualmente en
aplicaciones biomédicas y de ingeniería de tejidos para reemplazar o
regenerar los tejidos nativos funcional y estructuralmente. En general, estos
andamios deben cumplir con varias funciones obligatorias como proporcionar
vías internas para la unión celular y la migración (poros), transferir
varios factores de crecimiento y productos de desecho, y mantener su forma,
mientras las células continúan creciendo y desarrollando propiedades
mecánicas adecuadas o compatibles.
El desarrollo de sistemas libres de disolventes, a base
de agua, ha permitido la impresión directa de materiales biológicos en
andamios 3D que podrían utilizarse para el trasplante con o sin células
sembradas. Por lo tanto, la tecnología de bioim- presión 3D es uno de los
métodos más apropiados para producir andamios para cultivos celulares, se
logra así ensamblar material biológico o células en una organización
prescrita para crear estructuras funcionales tales como microarreglos celulares
o estructuras anatómicas tridimensionales (MeSH 2013) lo que permite que se
mantengan dentro de la estructura 3D, su fisiología y viabilidad. Los avan-
ces introducidos por esta técnica han aumentado considerablemente la capacidad
de controlar la dis- tribución del tamaño del poro, su volumen y la
interconectividad de los poros en los andamios. Algunos procesos de impresión
en 3D se realizaron en hidrogeles como andamios y se obtuvieron con éxito
estructuras 3D a temperatura ambiente sin ningún efecto significativo en la
viabilidad celular.
La impresión 3D capa por capa
consiste en dar un posicionamiento preciso de materiales biológicos,
bioquímicos y células vivas, con el control espacial de la colocación de
estos componentes funcionales puede obtenerse una copia fiel del tejido
original.
Existen algunos enfoques para
la bioimpresión 3D como el biomimetismo (imitación anatomofuncional de
un tejido), el autoensamblaje autónomo y los minitejidos (en
bloques de construcción). El fin común de todos ellos es generar un tejido
con propiedades biológicas y mecánicas adecuadas para la restauración
clínica del tejido y la función de los órganos.
El reto principal en la
impresión 3D es convertirla a una bioimpresión, en la que sea posible
reproducir la compleja microarquitectura de los componentes de la matriz
extracelular (MEC) y los diferentes tipos de células con la resolución
suficiente para recapturar la función biológica.
Los materiales actualmente
utilizados en el cam- po de la medicina regenerativa para la reparación y
regeneración se basan principalmente en el em- pleo de polímeros de origen
natural (incluyendo alginato, gelatina, colágeno, quitosano, fibrina y ácido
hialurónico, a menudo aislados de tejidos ani- males o humanos) o moléculas
sintéticas como el polietilenglicol (PEG). Las ventajas de los polímeros
naturales para bioimpresión y otras aplicaciones de ingeniería de tejidos son
su similitud con la MEC (matriz extracelular) humana y su bioactividad inherente.
La ventaja de los polímeros sintéticos con propiedades físicas específicas es que pueden adaptarse para
aplicaciones particulares. Los desafíos en el uso de polímeros sintéticos
incluyen una baja biocompatibilidad, productos de degradación tóxica y
pérdida de propiedades mecánicas durante la degradación. Aun así, los
hidrogeles sintéticos, que son a la vez hidrófilos y absorbentes, son
atractivos para múltiples aplicaciones en la medicina regenerativa debido a la
facilidad de controlar sus propiedades físicas durante la fabricación.
A medida que los tejidos
bioimpresos se desarro- llan in vivo, deben ser susceptibles de
remodelación, facilitando la formación de estructuras moduladas por los
requerimientos celulares y fisiológicos. Lo más importante es que los
materiales deben apoyar el apego, la proliferación y la función celular.
Las principales tecnologías utilizadas para deposi- tar y modelar materiales
biológicos son: la inyección, la microextrusión y la impresión asistida por
láser (figura 2). Deben considerarse las diferentes caracte- rísticas
de éstas, que son de manera general la resolu- ción superficial, la
viabilidad celular y los materiales biológicos utilizados para la impresión,
así como sus ventajas y desventajas en general (tabla 1).
La elección de células para
la impresión de te jidos u órganos, es crucial para el correcto funcionamiento
de la impresión. Los tejidos y los órganos comprenden múltiples tipos de
células con funciones biológicas específicas y esenciales que deben
retomarse en el tejido trasplantado. Además de los tipos de células
funcionales primarias, la mayoría de los tejidos también tienen tipos de
células que proporcionan funciones de soporte, estructurales o de barrera,
participan en la vascularización o pro- porcionan un nicho para el
mantenimiento y la diferenciación de las células madre. Las opciones actuales
para imprimir células implican el depósito de múltiples tipos de células
primarias en patrones que representan fielmente el tejido nativo o que imprimen
células madre que pueden proliferar y diferenciarse en los tipos de células
requeridos.
La célula elegida para
impresión debe ser capaz de expandirse en números suficientes en dicha im-
presión. El control preciso de la proliferación celular in vitro e in
vivo es importante para la bioimpresión. La escasa proliferación puede
dar lugar a la pérdida
de viabilidad del impreso
trasplantado, mientras que demasiada proliferación puede dar lugar a hiperplasia
o apoptosis. Además, el momento de la proliferación celular es importante.
Inicialmente, puede ser deseable una alta tasa de proliferación celular para
poblar la construcción, pero a largo plazo, la proliferación debe mantenerse
a una velo- cidad adecuada para lograr la homeostasis tisular, aunque sin
hiperplasia. Se ha intentado resolver este problema mediante la transfección
viral o el uso de moléculas pequeñas para inducir la proliferación celular y
prevenir la senescencia.
Al igual que con cualquier tejido u órgano tras- plantado, el rechazo del implante impreso por el sistema inmune del receptor es un problema po- tencial que puede ser superado usando una fuente autóloga de células o estrategias de la tolerancia inducción. Las fuentes autólogas de células pueden obtenerse a partir de biopsias, desde la generación y diferenciación de células madre autólogas o mediante reprogramación.
4.
CONCLUSIONES
El desarrollo de dispositivos médicos
mediante el método de impresión 3D ha logrado un progreso significativo, pues
se han fabricado diversos modelos de prótesis, implantes y tejidos combinando
el uso de diferentes técnicas de manufactura aditiva con la incorporación de
arreglos celulares, promoviendo la regeneración de estructuras biológicas. Se han
empleado técnicas médicas ya establecidas, como la tomografía computarizada en
la impresión 3D, obteniendo una concordancia idónea en el modelo tridimensional
y la anatomía del paciente. Los biomateriales empleados en la impresión 3D,
consisten en compuestos poliméricos y cerámicas biodegradables, logrando
propiedades físicas y mecánicas idóneas. Un desafío importante en el desarrollo
de dispositivos médicos mediante impresión 3D, es la incorporación de equipos
de manufactura aditiva en hospitales, por esta razón, es previsible que la
investigación básica y aplicada se intensifiquen en los próximos años y haya
más estudios clínicos para tener productos disponibles comercialmente.
La importancia de la aplicación de las TFA en medi- cina
radica en permitir la reproducción de un tejido u órgano mediante el uso de
la bioimpresión, con lo que se espera un impacto trascendente en múltiples
especialidades médicas (cirugía plástica reconstructi- va, cirugía
maxilofacial, ortopedia, cirugía de colum- na, artroscopía, cirugía de
trasplantes, entre muchas otras). La expectativa en Latinoamérica de estas
tec- nologías es que sean un campo emergente en benefi- cio de los pacientes
con la generación de implantes u órganos personalizados que favorezcan el
pronóstico y la evolución de los tratamientos otorgados.
5.
CONCLUSIONES
Abdullah AM, Tuan Rahim TNA, Mohamad D, Akil HM, Rajion ZA.
Mechanical and physical properties of highly ZrO2 /β-TCP filled polyamide 12
prepared via fused deposition modelling (FDM) 3D printer for potential
craniofacial reconstruction application. Mater Lett [Internet]. 2017;189:307-9.
Available from: http://dx.doi. org/10.1016/j.matlet.2016.11.052
Almeida HA, Costa
AF, Ramos C, Torres C, Minondo M, Bártolo PJ, et al. Additive Manufacturing
Systems for Medical Applications: Case Studies. In: Additive Manufacturing -
Developments in Training and Education [Internet]. Cham: Springer International
Publishing; 2019 [cited 2019 Jul 5]. p. 187-209. Available from:
http://link.springer.com/10.1007/978-3-319-76084-1_13
Alvial P, Bravo G,
Bustos MP, Moreno G, Alfaro R, Cancino R, et al. Quantitative functional
evaluation of a 3D-printed silicone-embedded prosthesis for partial hand
amputation: A case report. J Hand Ther [Internet]. 2018;31(1):129-36. Available
from: https://doi.org/10.1016/j.jht.2017.10.001
Araujo Borges R,
Choudhury D, Zou M. 3D printed PCU/UHMWPE polymeric blend for artificial knee
meniscus. Tribol Int [Internet]. 2018;122(January):1-7. Available from:
https://doi.org/10.1016/j.triboint.2018.01.065
Ashammakhi N,
Ahadian S, Xu C, Montazerian H, Ko H, Nasiri R, et al. Bioinks and bioprinting
technologies to make heterogeneous and biomimetic tissue constructs. Mater
Today Bio [Internet]. 2019 Jan 1 [cited 2019 Jul 4];1:100008. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590006419300146
Carrow JK,
Kerativitayanan P, Jaiswal MK, Lokhande G, Gaharwar AK. Polymers for
Bioprinting. Essentials 3D Biofabrication Transl [Internet]. 2015 Jan 1 [cited
2019 Jul 4];229-48. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B978012800972700013X
Chen L, Deng C, Li
J, Yao Q, Chang J, Wang L, et al. 3D printing of a lithium-calcium-silicate
crystal bioscaffold with dual bioactivities for osteochondral interface
reconstruction. Biomaterials [Internet]. 2019 Mar [cited 2019 Jun
27];196:138-50. Available from: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0142961218302448
Chia HN, Wu BM.
Recent advances in 3D printing of biomaterials. J Biol Eng [Internet]. 2015 Dec
1 [cited 2019 Jul 4];9(1):4. Available from: http://www.jbioleng.org/content/9/1/4
Coburn JC, Grant GT.
FDA Regulatory Pathways and Technical Considerations for the 3D Printing of
Medical Models and Devices. In: 3D Printing in Medicine [Internet]. Cham:
Springer International Publishing; 2017 [cited 2019 Jul 5]. p. 97-111.
Available from: http://link.springer.com/10.1007/978-3-319-61924-8_10
Colombo G, Rizzi C,
Regazzoni D, Vitali A. 3D interactive environment for the design of medical
devices. Int J Interact Des Manuf [Internet]. 2018 May 29 [cited 2019 Jul
4];12(2):699-715. Available from:
http://link.springer.com/10.1007/s12008-018-0458-8
D’Urso P, Earwaker W, Barker T, Redmond M, Thomp- son R,
Effeney D, Tomlinson F Custom cranioplasty us- ing stereolithography and
acrylic. Br J Plast Surg. 2000; 53:200-204.
Dehghani S, Rasoulianboroujeni M,
Ghasemi H. Biomaterials 3D-Printed membrane as an alternative to amniotic
membrane for ocular surface / conjunctival defect reconstruction : An in vitro
& in vivo study. 2018;174
Di Prima M, Coburn
J, Hwang D, Kelly J, Khairuzzaman A, Ricles L. Additively manufactured medical
products - the FDA perspective. 3D Print Med [Internet]. 2016 Dec 1 [cited 2019
Jul 5];2(1):1. Available from: https://threedmedprint.biomedcentral.com/articles/10.1186/s41205-016-0005-9
[ Links ]
Elgalal M, Kozakiewicz M, Olszycki M, Walkowiak B,
Stefanczyk L Custom implant design and surgical pre-plan- ning using rapid
prototyping and anatomical models for the repair of orbital floor fractures.
Eur Radiol. 2009; 19(Suppl 1):S397.
Faber J, Berto P, Quaresma M. Rapid prototyping as a tool for
diagnosis and treatment planning for maxillary canine impaction. Am J Orthod
Dentofacial Orthop. 2006; 129:583-589.
Faletti R, Gatti M, Cosentino A,
Bergamasco L, Cura Stura E, Garabello D, et al. 3D printing of the aortic
annulus based on cardiovascular computed tomography: Preliminary experience in
pre-procedural planning for aortic valve sizing. J Cardiovasc Comput Tomogr
[Internet]. 2018;12(5):391-7. Available from: https://doi.org/10.1016/j.jcct.2018.05.016
Farooqi KM, Cooper
C, Chelliah A, Saeed O, Chai PJ, Jambawalikar SR, et al. 3D Printing and Heart
Failure: The Present and the Future. JACC Hear Fail [Internet]. 2019 Feb 1
[cited 2019 Jul 5];7(2):132-42. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213177918307169
Galante R,
Figueiredo-Pina CG, Serro AP. Additive manufacturing of ceramics for dental
applications: A review. Dent Mater [Internet]. 2019 Jun 1 [cited 2019 Jul
5];35(6):825-46. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0109564118304263
García-Valadez L, Espinoza-Gutiérrez A, Rivas-Montero J,
Hernández-Méndez V, Santiago-García A, Banegas- Ruiz R, Cesar-Juárez A,
Palmieri-Bouchan R. Impresión de modelos 3D para fracturas de radio distal: un
estudio piloto en el Instituto Nacional de Rehabilitación. Rev Sanid Milit
Mex. 2017;71:366-73.
Gibson I, Rosen DW, Stucker B. Medical
Applications for Additive Manufacture. In: Additive Manufacturing Technologies
[Internet]. Boston, MA: Springer US; 2010 [cited 2019 Jul 5]. p. 400-14.
Available from: http://link.springer.com/10.1007/978-1-4419-1120-9_15
Gopinathan J, Noh
I. Recent trends in bioinks for 3D printing. Biomater Res [Internet]. 2018 Dec
6 [cited 2019 Jul 4];22(1):11. Available from: https://biomaterialsres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40824-018-0122-1
Ho L, Hsu S hui.
Cell reprogramming by 3D bioprinting of human fibroblasts in polyurethane
hydrogel for fabrication of neural-like constructs. Acta Biomater [Internet].
2018;70:57-70. Available from: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.01.044
Javaid M, Haleem A.
Additive manufacturing applications in orthopaedics: A review. J Clin Orthop
Trauma [Internet]. 2018 Jul 1 [cited 2019 Jul 5];9(3):202-6. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S097656621830122X
Kim SH, Shin WB,
Baek SW, Yoon JS. Semiautomated fabrication of a custom orbital prosthesis with
3-dimensional printing technology. J Prosthet Dent [Internet]. 2019;1-4. Available
from: https://doi.org/10.1016/j.prosdent.2019.03.021
Lai Y, Li Y, Cao H,
Long J, Wang X, Li L, et al. Osteogenic magnesium incorporated into PLGA/TCP
porous scaffold by 3D printing for repairing challenging bone defect.
Biomaterials. 2019;197(September 2018):207-19. [ Links ]
Lal H, Patralekh
MK. 3D printing and its applications in orthopaedic trauma: A technological
marvel. J Clin Orthop Trauma [Internet]. 2018 Jul 1 [cited 2019 Jul
5];9(3):260-8. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0976566218303850
Lantada AD, Morgado
PL, Stampfl J. Additive Manufacturing Technologies for Enhancing the
Development Process of Biodevices. In: Handbook on Advanced Design and
Manufacturing Technologies for Biomedical Devices [Internet]. Boston, MA:
Springer US; 2013 [cited 2019 Jul 5]. p. 181-205. Available from:
http://link.springer.com/10.1007/978-1-4614-6789-2_10
Lee S-J, Zhu W,
Castro N, Zhang LG. Biomaterials and 3D Printing Techniques for Neural Tissue
Regeneration. In: Neural Engineering [Internet]. Cham: Springer International
Publishing; 2016 [cited 2019 Jul 5]. p. 1-24. Available from:
http://link.springer./10.1007/978-3-319-31433-4_1
Liu J, Li L, Suo H,
Yan M, Yin J, Fu J. 3D printing of biomimetic multi-layered GelMA/nHA scaffold
for osteochondral defect repair. Mater Des [Internet]. 2019;171:107708.
Available from: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107708
Liu J, Sun L, Xu W,
Wang Q, Yu S, Sun J. Current advances and future perspectives of 3D printing
natural-derived biopolymers. Carbohydr Polym [Internet]. 2019 Mar 1 [cited 2019
Jul 4];207:297- 316. Available from:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861718314103
Lozano R, Stevens
L, Thompson BC, Gilmore KJ, Gorkin R, Stewart EM, et al. 3D printing of layered
brain-like structures using peptide modified gellan gum substrates.
Biomaterials [Internet]. 2015;67:264-73. Available from:
http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2015.07.022
Maroulakos M,
Kamperos G, Tayebi L, Halazonetis D, Ren Y. Applications of 3D printing on craniofacial
bone repair: A systematic review. J Dent [Internet]. 2019 Jan 1 [cited 2019 Jul
5];80:1-14. Available from:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0300571218306407
Martins JP,
Ferreira MPA, Ezazi NZ, Hirvonen JT, Santos HA, Thrivikraman G, et al. 3D
printing: prospects and challenges. Nanotechnologies Prev Regen Med [Internet].
2018 Jan 1 [cited 2019 Jul 4];299-379. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780323480635000046
Mavili M, Canter H, Saglam-Aydinatay B, Kamaci S,
Kocadereli I. Use of three-dimensional medical modeling methods for precise
planning of orthognathic surgery. J Craniofac Surg. 2007;18:740.
Mikolajczyk T, Malinowski T, Moldovan L,
Fuwen H, Paczkowski T, Ciobanu I. CAD CAM System for Manufacturing Innovative
Hybrid Design Using 3D Printing. Procedia Manuf [Internet]. 2019;32:22-8.
Available from: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.78
Miri AK, Khalilpour
A, Cecen B, Maharjan S, Shin SR, Khademhosseini A. Multiscale bioprinting of
vascularized models. Biomaterials [Internet]. 2019 Apr 1 [cited 2019 Jul
4];198:204-16. Available from:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014296121830560X
Mironov V, Trusk T, Kasyanov V, Little S, Swaja R, Mark-
wald R. Biofabrication: A 21st century manufacturing paradigm. Biofabrication.
2009;1:022001.
Nagrath M, Sikora A, Graca J, Chinnici
JL, Rahman SU, Reddy SG, et al. Functionalized prosthetic interfaces using 3D
printing: Generating infection-neutralizing prosthesis in dentistry. Mater
Today Commun [Internet]. 2018;15(January):114-9. Available from:
https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2018.02.016
Park J, Kim JK, Park
SA, Lee DW. Biodegradable polymer material based smart stent: Wireless pressure
sensor and 3D printed stent. Microelectron Eng [Internet]. 2019;206(October
2018):1-5. Available from: https://doi.org/10.1016/j.mee.2018.12.007
Park J, Kim JK,
Park SA, Lee DW. Biodegradable polymer material based smart stent: Wireless
pressure sensor and 3D printed stent. Microelectron Eng. 2019;206(October
2018):1-5
Park SA, Lee SJ, Lim KS, Bae IH, Lee JH,
Kim WD, et al. In vivo evaluation and characterization of a bio-absorbable
drug-coated stent fabricated using a 3D-printing system. Mater Lett [Internet].
2015 Feb [cited 2019 Jun 25];141:355-8. Available from: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167577X14021223
Poologasundarampillai
G, Nommeots-Nomm A. Materials for 3D printing in medicine: Metals, polymers,
ceramics, hydrogels. 3D Print Med [Internet]. 2017 Jan 1 [cited 2019 Jul
4];43-71. Available from:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780081007174000028
PubMed-MeSH Major Topic. “Printing, Three-Dimension- al”.
[Consultado: 25-agosto-2017]. Disponible en: https://
www.ncbi.nlm.nih.gov/mesh/?term=Printing%2C+Three- Dimensional
Seol YJ, Kang TY, Cho DW. Solid freeform fabrication technology
applied to tissue engineering with various biomaterials. Soft Matter.
2012;8:1730-5.
Sorkio A, Koch L, Koivusalo L, Deiwick A, Miettinen S,
Chichkov B, et al. Human stem cell based corneal tissue mimicking structures
using laser-assisted 3D bioprinting and functional bioinks. Biomaterials
[Internet]. 2018;171:57-71. Available from:
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.04.034
Sun Y, Zhang X, Li W, Di Y, Xing Q,
Cao Q. 3D printing and biocompatibility study of a new biodegradable occluder
for cardiac defect. J Cardiol [Internet]. 2019;74(2):182-8. Available from:
https://doi.org/10.1016/j.jjcc.2019.02.002
Takagishi K, Umezu S. Development of the improving process for the 3D
printed structure. Sci. Rep.-UK. 2017; 7:39852.
Tam CHA, Chan YC, Law Y, Cheng SWK. The Role of
Three-Dimensional Printing in Contemporary Vascular and Endovascular Surgery: A
Systematic Review. Ann Vasc Surg [Internet]. 2018 Nov 1 [cited 2019 Jul
5];53:243-54. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S089050961830503X
Vaishya R, Patralekh MK, Vaish A,
Agarwal AK, Vijay V. Publication trends and knowledge mapping in 3D printing in
orthopaedics. J Clin Orthop Trauma [Internet]. 2018 Jul 1 [cited 2019 Jul
5];9(3):194-201. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0976566218302790
Xu X, Tao J, Wang S, Yang L, Zhang
J, Zhang J, et al. 3D printing of nerve conduits with nanoparticle-encapsulated
RGFP966. Appl Mater Today [Internet]. 2019;16:247-56. Available from: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S235294071930112X
Yang N, Chen H, Han H, Shen Y, Gu
S, He Y, et al. 3D printing and coating to fabricate a hollow bullet-shaped
implant with porous surface for controlled cytoxan release. Int J Pharm
[Internet]. 2018;552(1-2):91-8. Available from:
https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2018.09.042
Yang Y, Li H, Xu Y, Dong Y, Shan W,
Shen J. Fabrication and evaluation of dental fillers using customized molds via
3D printing technology. Int J Pharm [Internet]. 2019;562(December 2018):66- 75.
Available from: https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2019.03.024
Zhang XY, Yanagi Y, Sheng Z, Nagata
K, Nakayama K, Taguchi T. Regeneration of diaphragm with bio-3D cellular patch.
Biomaterials [Internet]. 2018;167:1-14. Available from:
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.03.012