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Impresión 3D de Órganos Humanos – ¿Qué Tan Realista es?
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El mundo de la impresión 3D se está expandiendo a un ritmo significativamente rápido. Las estimaciones sugieren que el tamaño del mercado global de la impresión 3D—productos y servicios—crecerá tres veces entre 2020 y 2026. Valorado en US$12.6 mil millones en 2020, el mercado podría crecer a más de US$37 mil millones para 2026.
El auge en el mercado de aplicaciones está sólidamente respaldado por el espacio donde ocurre la innovación—tanto a nivel de instituciones como de empresas. Grandes compañías tecnológicas estadounidenses, por ejemplo, han estado muy activas con la impresión 3D—como se evidencia por la cantidad de patentes que han publicado desde 2010. General Electrics, por ejemplo, ha publicado hasta 342 patentes entre 2010 y 2019.
Sin embargo, el ámbito de la impresión 3D siempre ha enfrentado la pregunta crucial de su aplicabilidad en la vida real. Aunque siempre ha sido un espacio científicamente emocionante y atractivo para explorar, muchos se han preguntado: ‘¿Qué tan realista es?’
Recientemente, un experimento exitoso mostró cuán real podría potencialmente ser cuando un equipo de investigación de la University of Virginia School of Engineering and Applied Science desarrolló lo que podría ser la plantilla para los primeros bloques de construcción de órganos compatibles con humanos impresa bajo demanda. En el siguiente segmento, analizaremos el experimento y lo que logró con mayor detalle.
Biomateriales con Propiedades Mecánicas Controladas que Coinciden con las de Varios Tejidos Humanos
El experimento fue liderado por Liheng Cai y Jinchang Zhu. Liheng Cai es profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería química, y Jinchang Zhu es su estudiante de doctorado.
El método de bioimpresión que siguieron se llama Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Esta técnica deposita partículas de biomaterial en una matriz de soporte basada en agua para construir estructuras 3D que ofrecen un entorno propicio para el crecimiento de las células.
Al publicar sus hallazgos en la revista Nature Communications, los científicos titularon el informe ‘Impresión voxelada de bio-tinta modular de doble red.’ El término Voxel proviene del hecho de que el proceso de impresión sigue cómo los ‘voxeles’—la versión 3D de los píxeles—construyen objetos 3D.
Al explicar el avance que su investigación brindó a la comunidad científica, Jinchang Zhu dijo lo siguiente:
“Nuestras nuevas partículas de hidrogel representan el primer voxel funcional que hemos creado. Con un control preciso sobre las propiedades mecánicas, este voxel puede servir como uno de los bloques básicos de construcción para nuestras futuras estructuras de impresión.”
En su intento de ser más específico para el usuario común, Zhu destacó las cualidades sobresalientes de su técnica en comparación con otros métodos de bioimpresión. Subrayó el elemento de ‘Control’ en su tecnología, lo que hizo que sea posible imprimir organoides.
Estos organoides no eran más que modelos 3D basados en células que podrían funcionar como tejidos humanos. Podía ser aprovechado para estudiar la progresión de enfermedades en nuestra búsqueda siempre evolutiva de curas.
Un Gran Salto Comparado con las Tecnologías de Bioimpresión Existentes
Zhu calificó su innovación como un ‘gran salto’ comparado con las tecnologías de bioimpresión existentes porque era ‘resistente y amigable con las células.’ Las partículas de hidrogel polimérico usadas en el experimento podían imitar tejidos humanos al ajustar la disposición y los enlaces químicos de monómeros de una sola molécula, que se unen en cadenas para formar redes.
En comparación con otras soluciones similares, la solución ofrecida por Cai y Zhu también resultó ser menos tóxica y más biocompatible.
El equipo también logró mejoras significativas en su uso de la bioimpresora. La boquilla multicanal que diseñaron podía mezclar componentes de hidrogel bajo demanda. Ayudó a resolver el desafío que surgía de la curado ultrarrápido, que transformó gotas líquidas en un gel elástico hinchado de agua en 60 segundos.
La técnica DASP elimina este cuello de botella al depositar grandes gotas desde una boquilla estrecha y de rápido movimiento en la matriz, suspendiéndolas inmediatamente. De alguna manera, resuelve un problema central del campo de la ciencia de la materia blanda y la bioimpresión 3D: la manipulación precisa de voxeles viscoelásticos. Al resumir el logro, Cai dijo:
“Ahora hemos sentado las bases para la bioimpresión voxelada. Cuando se realice plenamente, las aplicaciones de DASP incluirán trasplantes de órganos artificiales, modelado de enfermedades y tejidos, y la selección de candidatos para nuevos fármacos. Y probablemente no se detendrá allí.”
Como ya hemos visto, las innovaciones en torno a la bioimpresión 3D han estado en marcha durante mucho tiempo. Por lo tanto, es bastante obvio que muchas compañías de renombre han adoptado esta tecnología. En los siguientes segmentos, analizaremos dos compañías que han estado facilitando este espacio en la ciencia médica y la tecnología de la salud.
#1. Northwell Health
La empresa afirma estar ‘100% dedicada a ser el primer sistema de salud en imprimir en 3D tu cura’. Una de las intervenciones más cruciales de Northwell Health en este ámbito ha sido en prótesis.
La empresa impresó en 3D una prótesis de extremidad anfibia. La solución es una aleta que permite al amputado entrar y salir del agua sin cambiar de prótesis.
Los beneficios de la aleta incluyen el uso de materiales de fibra de carbono de última generación y el aprovechamiento de una forma ergonómica para garantizar un movimiento duradero y eficiente. Northwell utilizó nylon reforzado con fibra de carbono para imprimir la aleta, lo que se centró en la resistencia y flexibilidad. Además, su durabilidad la hizo adecuada para su uso en tierra y en el agua.
La aleta tenía una dinámica de material única. Presentaba agujeros de forma cónica que podían controlar la cantidad de agua que pasaba a través de ella. El diseño y la disposición de los agujeros permitían arrastre y propulsión natural en el agua. El número de agujeros era ajustable a las necesidades específicas del amputado.
Northwell Health ha sido durante mucho tiempo un referente en el desarrollo de modelos detallados impresos en 3D de partes del cuerpo para ayudar a los cirujanos a planificar mejor las operaciones. La empresa pudo percibir el potencial de la impresión 3D antes de que se convirtiera en una tendencia tan floreciente.
En una cita que data de 2018, Todd Goldstein, director del 3D Design and Innovation Center en Northwell Health, tuvo el siguiente para decir:
“El uso de la impresión 3D en medicina nos permite extraer la anatomía del paciente de la pantalla del ordenador y ponerla en manos del médico. Este tipo de tecnología es un cambio de juego para todas las partes involucradas, ya que permite a los médicos visualizar mejor la patología, permite a los pacientes ver realmente lo que t”.
En 2023, Northwell Health registró ingresos de US$16.9 mil millones y un margen EBITDA del 6.3%.
#2. Psyonic
Otra compañía que ha estado realizando trabajo notable en este campo es Psyonic. Ability Hand, producto insignia de Psyonic, es la mano biónica con detección táctil más rápida y la primera del mundo. Prometida para restaurar la vida y la movilidad a donde estaban, PSYONIC aprovecha la impresión 3D para prototipar de manera eficiente, aumentar la asequibilidad y el acceso, y mejorar la durabilidad y la resistencia al impacto.
Psyonic ha añadido un valor significativo a su solución al incorporar sensores en las yemas de los dedos de la mano biónica que detectan la presión cuando el usuario agarra un objeto y envían una vibración al brazo para comunicar esa sensación.
En consecuencia, el usuario de la mano puede sentir la acción y trabajar con los objetos más delicados con facilidad, comodidad y fluidez. Su robustez la hace capaz de soportar impactos de fuerza contundente sin romperse. También es resistente al agua y viene con una variedad de patrones de agarre para usar a lo largo del día.
Ability Hand ofrece un total de 32 patrones de agarre, de los cuales 19 están predefinidos y disponibles para su uso. Es ligera, con un peso de 490 gramos. Es multiarticulada, con los cinco dedos listos para flexionar y extender, y el pulgar es capaz de girar eléctrica y manualmente.
Puede cargarse con un USB-C en una hora. Es compatible cruzado y funciona con la mayoría de los sistemas de reconocimiento de patrones EMG de terceros, sistemas de control directo EMG, transductores lineales y resistencias sensibles a la fuerza.
Según la información de financiación más reciente disponible, la campaña de capital colectivo de Psyonic ha recaudado más de $1 millón hasta la fecha.
Evidente a partir de estos ejemplos de partes del cuerpo humano impresas en 3D es que, de manera realista, la impresión 3D de órganos humanos no es un sueño inalcanzable. Mientras ya hemos discutido uno de los avances más significativos en este campo recientemente, exploraremos más investigaciones relevantes para comprender el enorme potencial del futuro.
El Futuro de la Impresión 3D: Tan Cercano a la Realidad como Puede Ser
El uso ineficiente del hidrogel en la producción de órganos impresos en 3D tiene cierta historia. Un informe de investigación de 2022 citó el caso de un equipo de estudio liderado por el Profesor Thomas Scheibel en la University of Bayreuth que logró producir con éxito una “bio-tinta” o hidrogel mediante la mezcla de seda de araña con células de fibroblastos de ratón usando impresión 3D.
Los geles podían transformarse rápidamente de un estado fluido a sólido al fluir a través de la boquilla de la impresora sobre una superficie de extrusión. Se descubrió que el conocimiento se encontró para ser usado en la replicación de tejido muscular cardíaco usando andamios de seda de araña y cardiomiocitos.
Un informe de 2023 que investigó de manera exhaustiva la realidad de usar la impresión 3D para replicar órganos humanos afirmó que es una ‘realidad próxima’.. Citó muchos casos que indican un futuro prometedor en todas las posibles implicaciones.
Por ejemplo, en 2022, en San Antonio, Texas, el Dr. Arturo Bonilla pudo implantar una oreja externa en una mujer de 20 años—nacida sin ella—construyendo la oreja derecha con la forma y tamaño exactos de su oreja izquierda. El caso fue sumamente crucial ya que fue la primera instancia en la que la oreja implantada fue producto de una bioimpresora 3D que utilizó las células de cartílago de la mujer.
Investigadores con sede en Polonia también pudieron imprimir un prototipo funcional de un páncreas con flujo sanguíneo estable. El experimento se realizó en cerdos y se observó durante dos semanas. Mientras tanto, los esfuerzos para adaptar las técnicas a pulmones humanos también estaban en marcha. Michal Wszola, creador del Páncreas Biónico, y United Therapeutics Corporation (UTHR ) imprimieron en 3D un andamio pulmonar humano con 4,000 kilómetros de capilares y 200 millones de alvéolos (pequeñas sacos de aire) que podían intercambiar oxígeno en modelos animales.
Los científicos del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine desarrollaron un sistema móvil de bioimpresión de piel. Creen que pronto será posible llevar la impresora directamente al lado de la cama de un paciente que sufra una herida que no cicatriza, como una quemadura, escanear y medir el área de la herida, e imprimir en 3D la piel, capa por capa, directamente sobre la superficie de la herida.
El profesor Tal Dvir es el director de ingeniería de tejidos y medicina regenerativa en la Universidad de Tel Aviv en Israel. Su nivel ha encabezado el proyecto de un “corazón de tamaño de conejo” impreso en 3D, que tiene células, cámaras, los principales vasos sanguíneos y un latido. Mientras hablaba sobre la invención y su potencial para el futuro, Dvir dijo lo siguiente:
“Ahora estamos trabajando en las células del marcapasos
Los expertos en salud creen que la capacidad de la civilización humana para imprimir órganos en 3D ayudaría a la lista de espera de 106,000 personas para donaciones de órganos. Cada día, 17 pacientes mueren mientras esperan. Poder imprimir órganos humanos en 3D salvaría muchas vidas.
Según Mark Skylar-Scott, profesor asistente en el Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Stanford:
“El campo ha avanzado muy rápidamente en las últimas dos décadas, de vejigas impresas a ahora tejidos altamente celulares con vasos que pueden ser conectados a una bomba—y modelos 3D complejos que se asemejan a componentes del corazón con células cardíacas integradas.”
Ahora es casi seguro que la impresión 3D de órganos humanos revolucionará nuestros procedimientos de tratamiento y sistemas de atención. Sin embargo, tendrá que superar algunos desafíos.
Por ejemplo, tendría que ser más resistente al estrés. La producción y fabricación tendrían que ser más inclusivas en cuanto a la compatibilidad de materias primas. Tendría que volverse energéticamente eficiente para que pueda escalarse más rápido.
Tendría que eliminar los compuestos orgánicos volátiles emitidos por las impresoras 3D que a menudo son carcinogénicos y tóxicos y pueden causar problemas de salud graves como daño a órganos, irritación de garganta y náuseas. Finalmente, tendría que ser rentable y asequible para beneficiar a una gran parte de nuestra población subtratada a nivel mundial.
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