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Impresión 3D de Órganos Humanos – ¿Qué Tan Realista Es?
El mundo de la impresión 3D está expandiéndose 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 12.600 millones de dólares en 2020, el mercado podría crecer a más de 37.000 millones de dólares para 2026.
El aumento en el mercado de aplicaciones está apoyado por el espacio donde ocurre la innovación—tanto a nivel de instituciones como de empresas. Las grandes empresas de tecnología de EE. UU., por ejemplo, han sido muy activas con la impresión 3D—como se evidencia en la cantidad de patentes que han publicado desde 2010. General Electrics, por ejemplo, ha publicado 342 patentes entre 2010 y 2019.
Sin embargo, el ámbito de la impresión 3D siempre ha enfrentado la pregunta crucial de la aplicabilidad en la vida real. Siempre ha sido un espacio científicamente emocionante y atractivo para explorar, muchos han preguntado, ‘¿Qué tan realista es?’
Recientemente, un experimento exitoso mostró lo real que podría ser potencialmente cuando un equipo de investigación en la Universidad de Virginia School of Engineering and Applied Science desarrolló lo que podría ser el plantilla para los primeros bloques de construcción para órganos compatibles con humanos impresos bajo demanda. En el próximo segmento, exploramos el experimento y lo que logró en mayor detalle.
Materiales Biomiméticos Con Propiedades Mecánicas Controladas Que Coinciden Con Las De Diferentes Tejidos Humanos
El experimento fue liderado por Liheng Cai y Jinchang Zhu. Liheng Cai es profesor asistente de ciencia y ingeniería de materiales y ingeniería química, y Jinchang Zhu es su estudiante de doctorado.
El método de bioprinting que siguieron se llama Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Esta técnica deposita partículas de biomateriales 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 nombraron el informe ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ El término Voxel proviene del hecho de que el proceso de impresión sigue cómo los ‘voxels’—la versión 3D de los píxeles—construyen objetos 3D.
Mientras explicaba el avance que su investigación dio al mundo científico, Jinchang Zhu tuvo lo siguiente que decir:
“Nuestras nuevas partículas de hidrogel representan el primer voxel funcional que hemos hecho. Con un control preciso sobre las propiedades mecánicas, este voxel puede servir como uno de los bloques de construcción básicos para nuestros futuros constructos impresos.”
En su intento de ser más específico para el usuario común, Zhu destacó las cualidades destacadas de su técnica en comparación con otros métodos de bioprinting. Enfatizó el elemento de ‘Control’ en su tecnología, lo que hizo posible imprimir organoides.
Estos organoides no eran más que modelos celulares 3D que podían funcionar como tejidos humanos. Podrían utilizarse para estudiar la progresión de enfermedades en nuestra búsqueda constante de curas.
Un Gran Salto En Comparación Con Las Tecnologías De Bioprinting Existente
Zhu calificó su innovación de ‘gran salto’ en comparación con las tecnologías de bioprinting existentes porque era ‘robusta y amigable con las células’. Las partículas de hidrogel de polímero utilizadas en el experimento podían imitar tejidos humanos ajustando la disposición y los enlaces químicos de monómeros de molécula única, 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 el uso de la bioprintadora. La boquilla de múltiples canales que diseñaron podía mezclar componentes de hidrogel bajo demanda. Ayudó a resolver el desafío que surge de la unión cruzada super rápida, que transforma gotas líquidas en gel elástico y hinchado con agua dentro de 60 segundos.
La técnica DASP elimina este cuello de botella depositando gotas grandes desde una boquilla estrecha y rápida hacia la matriz, suspendiéndolas inmediatamente. De alguna manera, resuelve un problema central sobre el espacio de la ciencia de materiales suaves y la bioprinting 3D: la manipulación precisa de voxels viscoelásticos. Al resumir el logro, Cai dijo:
“Ahora hemos sentado las bases para la bioprinting voxelada. Cuando se realice completamente, las aplicaciones de DASP incluirán trasplantes de órganos artificiales, modelado de tejidos y enfermedades, y selección de candidatos para nuevos medicamentos. Y probablemente no se detendrá allí.”
Como ya hemos visto, las innovaciones en torno a la bioprinting 3D han estado en curso durante mucho tiempo. Por lo tanto, es bastante obvio que muchas empresas reputadas han adoptado esta tecnología. En los siguientes segmentos, exploramos dos empresas que han estado facilitando este espacio en ciencia médica y tecnología de salud.
#1. Northwell Health
La empresa afirma ser ‘100% dedicada a ser el primer sistema de salud en imprimir su cura en 3D’.
Una de las intervenciones más cruciales de Northwell Health en este ámbito ha sido en prótesis.
La empresa imprimió una extremidad prostética anfibia. La solución es una aleta que permite al amputado entrar y salir del agua sin cambiar las prótesis.
Los beneficios de la aleta incluyen el uso de materiales de fibra de carbono de última generación y la explotación de una forma ergonómica para garantizar un movimiento duradero y eficiente. Northwell utilizó nylon reforzado con fibra de carbono para imprimir la aleta, que se trataba de fuerza y flexibilidad.
Además, su durabilidad la hacía apta para uso en tierra y en el agua.
La aleta tenía una dinámica de material única. Presentaba agujeros cónicos que podían controlar la cantidad de agua que pasaba a través de ella. El diseño y disposición de los agujeros permitían un arrastre y propulsión naturales en el agua.
El número de agujeros se podía ajustar a las necesidades específicas del amputado.
Northwell Health ha sido durante mucho tiempo un defensor del desarrollo de modelos detallados de partes del cuerpo impresos en 3D para ayudar a los cirujanos a planificar mejor las operaciones. La empresa pudo realizar el potencial de la impresión 3D antes de que se convirtiera en una tendencia tan próspera.
En una cita que data de 2018, Todd Goldstein, director del Centro de Diseño y Innovación 3D en Northwell Health, tuvo lo siguiente que decir:
“El uso de la impresión 3D en medicina nos permite sacar la anatomía del paciente de la pantalla del ordenador y ponerla en las manos del médico. Esta 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 qué tratamiento es necesario, y permite tratamientos más precisos y personalizados en casi todas las especialidades.”
En 2023, Northwell Health registróingresos de 16.900 millones de dólares y un margen de EBITDA del 6,3%.
#2. Psyonic
Otra empresa que ha estado haciendo un trabajo notable en este campo es Psyonic. Ability Hand, el producto insignia de Psyonic, es la mano biónica más rápida y primera con sensación táctil 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 agregado un valor significativo a su solución incorporando sensores en las yemas de los dedos de la mano biónica que detectan la presión cuando el usuario está agarrando 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 suavidad.
Su resistencia la hace capaz de soportar impactos contundentes sin romperse. También es resistente al agua y viene con una variedad de patrones de agarre para usar durante el día.
Ability Hand ofrece 32 patrones de agarre en total, de los cuales 19 están predefinidos y disponibles para su uso. Es ligero, pesa 490 gramos.
Es multiarticulado, con los cinco dedos listos para flexionarse y extenderse, y el pulgar es capaz de rotar eléctrica y manualmente.
Puede cargarse con un USB-C en una hora. Es compatible con la mayoría de los sistemas de reconocimiento de patrones de EMG de terceros, sistemas de control directo de EMG, transductores lineales y resistores sensibles a la fuerza.
Según la información de financiación más reciente disponible, la campaña de equity de Psyonic ha recaudado más de 1 millón de dólares hasta la fecha.
Es evidente a partir de estos ejemplos de partes del cuerpo humano impresas en 3D que, realistamente, imprimir órganos humanos en 3D no es un sueño lejano. Mientras que ya hemos discutido uno de los avances más significativos en este campo recientemente, exploraremos más investigaciones relevantes para comprender el vasto potencial del futuro.
El Futuro De La Impresión 3D: Tan Cerca De La Realidad Como Pudiera Ser
El uso ineficiente de hidrogel en la producción de órganos impresos en 3D tiene algo de historia. Un informe de investigación de 2022 citó el caso de un equipo de investigación liderado por el profesor Thomas Scheibel en la Universidad de Bayreuth que produjo con éxito un “bio-tinta” o hidrogel mediante la mezcla de seda de araña con células de fibroblastos de ratón utilizando impresión 3D.
Los geles podían transformarse rápidamente de un estado líquido a un estado sólido cuando fluían a través de la cabeza de la impresora hacia una superficie de extrusión. El conocimiento se encontró que se utilizó para replicar tejido muscular cardíaco utilizando andamios de seda de araña y cardiomiocitos.
Un informe de 2023 que investigó de manera integral la realidad de utilizar la impresión 3D para replicar órganos humanos lo calificó de ‘realidad cercana’.
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 en la forma y tamaño exactos de la izquierda. El caso fue inmensamente crucial ya que fue la primera instancia en la que la oreja implantada fue el producto de una bioprintadora 3D que utilizaba las células de cartílago de la mujer.
Investigadores de Polonia también pudieron imprimir un prototipo funcional de páncreas con un flujo sanguíneo estable. El experimento se realizó en cerdos y se observó durante dos semanas. Mientras tanto, los esfuerzos para adaptar las técnicas para los pulmones humanos también estaban en marcha. Michal Wszola, el creador de Bionic Pancreas, y United Therapeutics Corporation imprimieron un andamio de pulmón humano con 4.000 kilómetros de capilares y 200 millones de alvéolos (pequeñas bolsas de aire) que podían intercambiar oxígeno en modelos animales.
Los científicos del Instituto de Medicina Regenerativa de la Universidad de Wake Forest desarrollaron un sistema de bioprinting de piel móvil. Creen que pronto será posible llevar la impresora directamente al lado de la cama de un paciente que sufra una herida no curable, como una quemadura, escanear y medir el área de la herida, e imprimir 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 “del tamaño de un conejo”, que tiene células, cámaras, los principales vasos sanguíneos y un latido. Al hablar sobre la invención y su potencial para el futuro, Dvir tuvo lo siguiente que decir:
“Ahora estamos trabajando en las células del marcapasos, las células auriculares, las células ventriculares. Se ve bien. Creo que este es el futuro.”
Los expertos en salud creen que la capacidad de la humanidad 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. Ser capaz de 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, desde vejigas impresas hasta tejidos altamente celulares con vasos que pueden conectarse 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, tendría que superar algunos desafíos.
Por ejemplo, tendría que ser más resistente al estrés. La producción y el manufacturing tendrían que ser más inclusivos en términos de la compatibilidad de los materiales raw. Tendría que ser eficiente en términos de energía para que pueda escalarse más rápido.
Tendría que deshacerse de los compuestos orgánicos volátiles emitidos por las impresoras 3D que a menudo son carcinógenos y tóxicos y pueden causar problemas de salud graves como daño a los órganos, irritación de la garganta y náuseas. Finalmente, tendría que ser rentable y asequible para beneficiar a una gran parte de nuestra población subtratada en todo el mundo.
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