Bioimpresión guiada por ultrasonidos: Una nueva frontera en la medicina de precisión

En atención sanitaria y sistema médico ha avanzado mucho en el último siglo. En los primeros tiempos, los humanos dependían de las plantas medicinales. Pero, por supuesto, carecían de coherencia y especificidad en la administración del fármaco.

Después se popularizaron las píldoras y cápsulas para almacenar fármacos. Se disuelven al entrar en contacto con los fluidos gastrointestinales, permean la pared intestinal y luego son absorbidos por el torrente sanguíneo a través de los capilares sanguíneos sin que exista ningún control sobre la liberación del fármaco. 

El uso de recubrimientos en los fármacos para enmascarar su sabor amargo alteraba aún más la velocidad de liberación del fármaco. Con el tiempo, los materiales de recubrimiento evolucionaron del oro y la plata a los recubrimientos perlados, azucarados y entéricos.

El recubrimiento entérico es una capa exterior de polímero que recubre los medicamentos orales. Esta barrera impide que el fármaco se disuelva en el ambiente gástrico de nuestro estómago, permitiendo así una liberación controlada. A lo largo de los años, los avances en estos recubrimientos han mejorado aún más la administración de fármacos.

La primera nanopartícula terapéutica en forma de conjugado polímero-fármaco se publicó entonces, en los años 50, mientras que la primera nanotecnología, conocida como liposoma, no se descubrió hasta los años 60. Ambas marcaron el origen de los nanotransportadores.

Con el tiempo, los polímeros inteligentes y hidrogeles se desarrollaron para estabilizar los sistemas de administración de fármacos, mientras que se realizaron esfuerzos para desarrollar sistemas nanotecnológicos de administración de fármacos dirigidos.

En los últimos años se ha avanzado mucho en el desarrollo de dispositivos de liberación localizada de fármacos que permiten un control preciso de su liberación. Técnicas como las micelas, los hidrogeles, los liposomas y las nanopartículas ofrecen una liberación sostenida de agentes terapéuticos en lugares específicos.

Estos enfoques mejoran la eficacia del tratamiento al tiempo que minimizan la toxicidad tisular al evitar la circulación sistémica de los agentes terapéuticos. 

Los dispositivos implantables de administración de fármacos, en particular, administran eficazmente fármacos en regiones localizadas. Estos dispositivos están fabricados con componentes biocompatibles y biodegradables y pueden diseñarse para liberar fármacos con diferentes dosis y para una administración continua e intermitente. 

Se hace especial hincapié en los implantes no invasivos en los tejidos profundos, también conocidos como implantes inteligentes o implantes mínimamente invasivos. Estos dispositivos, diseñados para monitorizar funciones corporales, administrar medicación o incluso ayudar a la regeneración de tejidos, se colocan en el cuerpo sin necesidad de procedimientos quirúrgicos extensos.

Ahora, un equipo de científicos de Caltech ha logrado avances significativos hacia el objetivo final de proporcionar a los médicos la capacidad de imprimir con precisión cápsulas en miniatura que puedan suministrar las células necesarias para la reparación de tejidos en el lugar exacto, como el interior de un corazón latiendo.

Para ello, han construido la plataforma de impresión sonora in vivo de tejidos profundos (DISP). El sitio nueva técnica de impresión 3D in vivo guiada por imágenes¹ se ha publicado en la revista Science.

DISP: impresión de sonido guiada por imágenes para terapias de tejidos profundos

La impresión tridimensional (3D) o fabricación aditiva está ganando adeptos gracias a su versatilidad, capacidad de crear diseños complejos y opciones de personalización.

En este proceso de fabricación, los objetos 3D se crean a partir de un archivo digital colocando capas de material. Esto permite crear prototipos rápidamente, reducir los costes de fabricación y personalizar los productos, lo que ha impulsado su adopción generalizada, sobre todo en campos como la fabricación, la sanidad e incluso la moda. 

En sanidad, La impresión 3D está revolucionando producción de implantes médicos. Se ha convertido en una herramienta muy valiosa para generar implantes específicos para cada paciente, tanto externamente como directamente dentro del cuerpo.

Sin embargo, esta promesa de implantes personalizados se enfrenta a las limitaciones de la necesidad de procedimientos quirúrgicos invasivos. Los implantes para el interior del cuerpo se ven aún más restringidos por la necesidad de materiales precursores y un método de polimerización seguro para su uso en un cuerpo humano que pueda activarse con precisión desde el exterior del cuerpo. Para resolver estos problemas, los científicos recurren a la impresión por ultrasonidos.

Por ejemplo, en un estudiar² El año pasado, investigadores de la Facultad de Ingeniería Biomédica del Technion presentaron una técnica no invasiva para bioimprimir tejidos y células en el interior del cuerpo mediante irradiación externa de ondas sonoras. emitido por un transductor ultrasónico externo.

Ahora, el equipo de científicos del Instituto Tecnológico de California ha construido una plataforma que aprovecha la impresión por ultrasonidos guiada por imágenes, capaz de profundizar mucho más que otros métodos.

En lugar de la impresión 3D tradicional, que tiene boquillas, en este estudio hay haces de sonido focalizados que generan picos de temperatura controlados para iniciar un proceso similar al de la impresión.

Financiado por los Institutos Nacionales de la Salud, la Sociedad Americana del Cáncer, el Instituto de Investigación Médica Heritage y la Challenge Initiative de la UCLA, el estudio combina ultrasonidos con liposomas de baja temperatura (LTSL) cargados con agentes reticulantes. 

Un liposoma o vesícula lipídica es una pequeña estructura cerrada que se encuentra en las células vivas y que contiene lípidos, que son un grupo de compuestos como grasas, ceras, monoglicéridos y diglicéridos que desempeñan diversas funciones en nuestro organismo, como almacenar energía, señalizar, absorber vitaminas, fabricar hormonas y actuar como componentes estructurales de las membranas celulares.

Estas vesículas se utilizan en diversas aplicaciones, como la administración de fármacos y estudios in vitro de la dinámica de la membrana celular. 

Los liposomas del estudio se sumergen en una solución polimérica que contiene los monómeros del polímero deseado y la carga que se desea administrar, como un fármaco terapéutico.

El polímero es un agente de contraste para imágenes que divulga cuándo se ha producido la reticulación. En el estudio se utilizan para ello vesículas de gas. Mediante la monitorización en tiempo real, las imágenes por ultrasonidos basadas en vesículas de gas (GV) permiten crear patrones personalizados en animales vivos. 

Los GV son nanoestructuras proteínicas llenas de aire que actúan como agentes de imagen y terapéuticos para técnicas de ultrasonidos, resonancia magnética y óptica. Se utilizan cada vez más como agentes de contraste en la obtención de imágenes por ultrasonidos debido a sus propiedades únicas que les permiten generar un contraste no lineal bajo ultrasonidos. Los GV pueden codificarse y modificarse genéticamente, lo que los convierte en agentes de imagen versátiles.

La incorporación de LTSL cargados con agentes reticulantes a la biotinta permite a la nueva plataforma ofrecer una reticulación rápida y precisa de diversos biomateriales funcionales a demanda mediante ultrasonidos focalizados.

El equipo validó su plataforma imprimiendo con éxito cerca de las zonas cancerosas de la vejiga de ratones y en las profundidades de los músculos de las patas de conejos in vivo. 

Utilizando la plataforma DISP para imprimir polímeros cargados con un fármaco quimioterapéutico (doxorrubicina) cerca de un tumor de vejiga en ratones, el equipo fue capaz de lograr una muerte de las células tumorales mucho mayor durante varios días que los que recibieron el fármaco mediante la inyección directa de soluciones farmacológicas.

Seguridad, precisión y biocompatibilidad: El potencial clínico de DISP

El equipo de Caltech ha desarrollado una técnica para imprimir polímeros en 3D en lugares específicos del interior de animales vivos. Elham Davoodi, profesora adjunta de ingeniería mecánica en la Universidad de Utah, es la autora principal del estudio, que completó mientras era becaria postdoctoral en Caltech.

Este método utiliza el sonido para la localización. Ya se ha utilizado para imprimir polímeros similares al pegamento para sellar heridas internas y cápsulas de polímero para la administración selectiva de fármacos.

Anteriormente, los científicos utilizaban luz infrarroja para activar la polimerización, el proceso por el que pequeñas unidades llamadas monómeros se unen para formar moléculas mayores llamadas polímeros, dentro de los animales vivos.

Sin embargo, los infrarrojos tienen una penetración muy limitada. "Sólo llega justo debajo de la piel", señala Wei Gao, catedrático de Ingeniería Médica de Caltech e investigador del Instituto de Investigación Médica Heritage.

En cambio, la nueva técnica puede llegar a tejidos profundos y también imprimir diferentes materiales para una amplia gama de aplicaciones, "manteniendo una excelente biocompatibilidad".

Para realizar la impresión in vivo de tejidos profundos, el equipo recurrió a los ultrasonidos, una plataforma muy utilizada en biomedicina para este fin. 

Pero necesitaban una forma de activar la unión de los monómeros, o reticulación, en un lugar específico y sólo cuando se deseaba.

Así que el equipo introdujo una nueva forma, combinando ultrasonidos con (LTSLs) cargados con agentes reticulantes y luego embebidos en una solución polimérica que contiene monómeros poliméricos y la carga. También pueden incluirse aquí más componentes, como células y materiales conductores como nanotubos de plata o carbono. La biotinta resultante se inyectó directamente en el cuerpo.

Ahora, para iniciar la impresión, los científicos utilizaron ultrasonidos focalizados, que aumentaron la temperatura en una zona determinada en unos pocos grados (unos 5). Esto hace que los liposomas liberen su contenido, de modo que la impresión del polímero puede comenzar en un lugar preciso. Según Gao:

"Aumentar la temperatura unos pocos grados centígrados es suficiente para que la partícula liposomal libere nuestros agentes reticulantes. Donde se liberan los agentes, es donde se producirá la polimerización localizada o impresión."

Las vesículas gaseosas, derivadas de bacterias y utilizadas aquí como agente de contraste de imágenes, nos indican que todo funciona según lo previsto al mostrarse intensamente en las imágenes por ultrasonidos. Son sensibles a los cambios químicos que se producen cuando la solución de monómero líquido se entrecruza para crear una red de gel.

Cuando se produce la transformación, las vesículas cambian de contraste, lo que se identifica mediante imágenes de ultrasonidos. Esto permite a los científicos detectar fácilmente cuándo y dónde se ha producido la reticulación de la polimerización, lo que les permite modificar los patrones que se imprimen en animales vivos.

Además de geles y polímeros bioadhesivos, el estudio también detalla el uso de la técnica para imprimir hidrogeles bioeléctricos, polímeros con materiales conductores incrustados utilizados para la monitorización interna de las constantes vitales fisiológicas. 

Ahora, la verificación de la plataforma DISP mediante experimentos realizados con éxito en ratones y conejos sin ningún signo de inflamación o daño tisular pone de manifiesto el potencial de la plataforma para la administración localizada de fármacos, la sustitución de tejidos y la bioelectrónica. El hecho de que el organismo elimine la tinta no polimerizada en una semana pone aún más de relieve el perfil de seguridad de la plataforma.

Además, su capacidad para imprimir materiales cargados de células, fármacos, bioadhesivos y conductores demuestra su versatilidad para diversas aplicaciones médicas. Pero, por supuesto, para que pueda trasladarse al uso clínico, la plataforma necesita más perfeccionamientos.

"Es una nueva dirección de investigación en el campo de la bioimpresión. Nuestra próxima etapa es intentar imprimir en un modelo animal más grande y, con suerte, en un futuro próximo, podremos evaluarlo en humanos."

– Gao

El equipo pretende mejorar la capacidad de la plataforma DISP para localizar con precisión y aplicar ultrasonidos focalizados mediante aprendizaje automático.

"En el futuro, con la ayuda de la IA, nos gustaría poder activar de forma autónoma la impresión de alta precisión dentro de un órgano en movimiento, como un corazón latiendo".

- Gao

Invertir en bioimpresión 3D

Una de las primeras empresas del sector de la impresión 3D, Sistemas 3D (DDD +1.62%) es uno de los principales nombres a seguir en la evolución de este espacio. La empresa ofrece soluciones integrales de impresión 3D y fabricación digital, incluidas impresoras 3D para metales, materiales y plásticos, software y servicios. Desde laboratorios dentales y fabricantes de automóviles hasta diseñadores de semiconductores y fabricantes de dispositivos médicos, diseña software y desarrolla impresoras para todo tipo de industrias y materiales.

Sistemas 3D (DDD +1.62%)

3S Systems opera a través de dos segmentos: Soluciones sanitarias, que presta servicios de odontología, medicina regenerativa, dispositivos médicos y servicios sanitarios personalizados, y Soluciones Industriales, que presta servicios de transporte, aeroespacial, defensa y fabricación en general. 

En 2021, adquirió Allevi para ampliar su iniciativa de medicina regenerativa acelerando el crecimiento en los laboratorios de investigación farmacéutica. Como señala la empresa en su sitio web, la bioimpresión 3D ha hecho avanzar el desarrollo de modelos preclínicos sin animales y el modelado de enfermedades en 3D mediante diseños de bioimpresión iterativos y su capacidad para recapitular la biología humana in vivo.

Ese mismo año, también adquirió Additive Works GmbH, una empresa alemana de software, para ampliar sus capacidades de simulación para la optimización rápida de procesos de impresión 3D a escala industrial.

Las acciones de la empresa cotizan actualmente a $1,94, lo que supone un descenso de 22,26% en lo que va de año. A este nivel de precios, las acciones de 3D Systems han experimentado un descenso significativo desde su máximo de aproximadamente $48,60, alcanzado a principios de 2021, al igual que muchos otros valores del mercado. 

3D Systems ha alcanzado una capitalización bursátil de $345,6 millones, y su BPA (TTM) es de -1,93, y un PER (TTM) de -1,32.

En cuanto a las finanzas de la empresa, muestran que en el primer trimestre de 2025, 3D Systems registró unos ingresos de $94,5 millones, lo que supuso un descenso de 8% con respecto al mismo trimestre del año anterior debido a las menores ventas de materiales.

Los ingresos de Soluciones Sanitarias ascendieron a $41,3 millones, mientras que $53,2 millones correspondieron a Soluciones Industriales.

En palabras de Jeffrey Graves, Consejero Delegado de la empresa, esto refleja "la continuación de las difíciles presiones sobre los ingresos, ya que muchos clientes están retrasando sus inversiones de capital" para obtener mayor claridad sobre las posibles repercusiones arancelarias, además de la actual incertidumbre geopolítica y macroeconómica en general.

El margen de beneficio bruto del periodo fue de 34,6%, y el margen de beneficio bruto no-GAAP fue de 35% debido a los menores volúmenes y a los precios desfavorables. La pérdida neta, por su parte, fue de $37 millones. A finales de marzo de 2025, su tesorería y equivalentes eran de $135 millones, y la deuda total, neta de costes de financiación diferidos, era de $212,3 millones.

Sin embargo, la empresa está trabajando en una iniciativa de ahorro de costes de $50 millones, que se completará a mediados de 2026. También se prevé que alcance el punto de equilibrio en términos de EBITDA en el último trimestre de este año.

Además, su balance se fortaleció como resultado de la venta de la cartera de Geomagic, proporcionando más de $100 millones de aumento después de impuestos a las reservas de efectivo a $250 millones a 30 de abril de 2025.

Los aspectos positivos de 3D Systems como opción de inversión son que la empresa está experimentando un crecimiento constante en los mercados aeroespacial y de defensa, y sus sistemas de hardware más recientes han registrado un aumento de las ventas. Además, la infraestructura de IA es otra área en la que 3D Systems se está centrando para impulsar su progreso.

"Nuestra deliberada preservación de las inversiones en I+D durante los últimos años ha dado lugar a una importante oleada de introducción de nuevas tecnologías en toda nuestra cartera de productos, incluidas nuestras plataformas de polímeros y metales."

- Grava

Señaló que, aunque esto repercute negativamente en la rentabilidad a corto plazo, el gran interés de los clientes significa que "nuestros nuevos sistemas son cada vez más preferidos para la fabricación de componentes de alta calidad y fiabilidad, para aplicaciones dentro del cuerpo humano y en sistemas industriales avanzados". Varios productos nuevos están entrando ahora en la fase crítica de comercialización.

En lo que va de año, 3D Systems ha colaborado con Daimler Truck, uno de los principales fabricantes de vehículos comerciales, para facilitar la impresión remota de piezas de repuesto. La impresión bajo demanda pretende superar los cuellos de botella de la cadena de suministro y reducir el plazo de entrega en 75%. 

Según los informes, sus resinas de impresión 3D NextDent, validadas clínicamente, cubren ya más de 30 aplicaciones, incluidas las centradas en la reparación de dientes. La empresa también anunció el primer implante facial PEEK impreso en 3D en su solución de fabricación aditiva en el punto de atención, en colaboración con el Hospital Universitario de Basilea.

En un evento reciente, 3D Systems también dio a conocer múltiples productos nuevos, como QuickCast® Diamond™ y PSLA 270, y un nuevo módulo para impresoras de gran formato EXT Titan Pellet Extrusion. También presentó una impresora 3D Figure 4® 135 de alto rendimiento y precisión y el material Figure 4 Tough 75C FR Black para reducir el coste de la fabricación de alta mezcla y bajo volumen. 

Lo último sobre 3D Systems

Conclusión

El sistema sanitario ha experimentado una enorme transformación en las últimas décadas. Este viaje desde los brebajes herbales hasta la nanomedicina sofisticada demuestra que la evolución de la administración de fármacos ha estado marcada por la innovación tecnológica. 

Ahora, el último avance de los científicos de Caltech supone un notable paso adelante en el mundo de la revolución médica. Al utilizar las mismas ondas sonoras que se emplean actualmente para observar el interior del cuerpo con fines de imagen, la plataforma DISP es capaz de penetrar mucho más profundamente en los tejidos. Una mezcla a medida de solución (biotinta) y transductor de ultrasonidos focalizados (FUS) permite la impresión precisa.

A medida que la tecnología avanza hacia modelos animales más grandes y ensayos en humanos, DISP, con su biocompatibilidad, precisión y adaptabilidad, promete redefinir la administración de fármacos y la curación interna.

Haga clic aquí para ver una lista de los principales valores de bioimpresión 3D.

Estudios referenciados:

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing. Science, 388(6747), 616-623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). Ultrasound mediated polymerization for cell delivery, drug delivery, and 3D printing. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197