Bioprinting guiado por ultrasonido: una nueva frontera en la medicina de precisión

El sistema de salud y médico ha avanzado mucho durante el último siglo. En tiempos antiguos, los humanos dependían de plantas medicinales. Pero, por supuesto, carecían de consistencia y especificidad en la administración del fármaco.

Luego, las píldoras y cápsulas se volvieron populares para almacenar productos farmacéuticos. Se disuelven al entrar en contacto con los fluidos gastrointestinales, permeabilizan la pared intestinal y luego son absorbidas al torrente sanguíneo a través de los capilares sanguíneos sin control sobre la liberación del fármaco. 

El uso de recubrimientos en los fármacos para enmascarar su sabor amargo alteró aún más la velocidad de liberación del medicamento. Con el tiempo, los materiales de recubrimiento evolucionaron de oro y plata a perla, azúcar y recubrimientos entéricos.

El recubrimiento entérico es un recubrimiento polimérico externo en la medicación oral. Esta barrera impide que el fármaco se disuelva en el ambiente gástrico de nuestro estómago, permitiendo así una liberación controlada. Los avances adicionales en estos recubrimientos a lo largo de los años han mejorado aún más la administración de fármacos.

El primer terapéutico de nanopartículas en forma de conjugado polímero-fármaco se reportó en la década de 1950, mientras que la primera nanotecnología, conocida como liposoma, no se descubrió hasta la década de 1960. Ambos marcaron el origen de los nanotransportadores.

Con el tiempo, se desarrollaron polímeros inteligentes y hidrogeles para estabilizar los sistemas de administración de fármacos, mientras se realizaban esfuerzos para desarrollar sistemas de entrega de fármacos basados en nanotecnología dirigida.

En los últimos años, se ha logrado un progreso significativo hacia el desarrollo exitoso de dispositivos de administración localizada de fármacos que permiten un control preciso de la liberación del fármaco. Técnicas como micelas, hidrogeles, liposomas y nanopartículas ofrecen una liberación sostenida de agentes terapéuticos en ubicaciones específicas.

Estos enfoques mejoran la efectividad del tratamiento mientras minimizan la toxicidad tisular al evitar la circulación sistémica de los agentes terapéuticos.

Los dispositivos implantables de administración de fármacos, en particular, entregan eficazmente los fármacos en regiones localizadas. Estos dispositivos están hechos de componentes biocompatibles y biodegradables y pueden diseñarse para liberar fármacos con diferentes dosis y para entregas continuas e intermitentes.

Un enfoque específico está en los implantes de tejido profundo no invasivos, también conocidos como implantes inteligentes o implantes mínimamente invasivos. Estos dispositivos, diseñados para monitorear funciones corporales, administrar medicación o incluso ayudar en la regeneración tisular, se colocan en el cuerpo sin procedimientos quirúrgicos extensos.

Ahora, un equipo de científicos de Caltech ha logrado un progreso significativo hacia el objetivo final de proporcionar a los médicos la capacidad de imprimir con precisión cápsulas diminutas que pueden entregar células necesarias para la reparación de tejidos en la ubicación exacta, como dentro de un corazón que late.

Para ello, han construido la plataforma de impresión sonora in vivo de tejido profundo (DISP). La nueva técnica de impresión 3D guiada por imágenes in vivo¹ ha sido publicada en la revista Science.

DISP: Impresión sonora guiada por imágenes para terapias de tejido profundo

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

Con este proceso de fabricación, los objetos 3D se crean a partir de un archivo digital depositando capas de material. Esto permite prototipado rápido, reducción de costos de fabricación y productos personalizados, lo que ha impulsado su adopción generalizada, particularmente en campos como la manufactura, la salud e incluso la moda.

En la salud, la impresión 3D está revolucionando la producción de implantes médicos. Se ha convertido en una herramienta sumamente 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 limitaciones debido a la necesidad de procedimientos quirúrgicos invasivos. Los implantes para el interior del cuerpo están aún más restringidos por la necesidad de materiales precursores y un método de polimerización seguro para su uso en el cuerpo humano que pueda activarse con precisión desde fuera del cuerpo. Para abordar estos problemas, los científicos están recurriendo a la impresión por ultrasonido.

Por ejemplo, en un estudio² del año pasado, investigadores de la Facultad de Ingeniería Biomédica del Technion presentaron una técnica no invasiva para bioprintar tejidos y células profundamente dentro del cuerpo mediante irradiación de ondas sonoras externas emitidas por un transductor ultrasónico externo.

Ahora, el equipo de científicos del Instituto Tecnológico de California ha construido una plataforma que aprovecha la impresión por ultrasonido guiada por imágenes, capaz de alcanzar profundidades mucho mayores que otros métodos.

En lugar de la impresión 3D tradicional, que utiliza boquillas, en este estudio se emplean haces focalizados de sonido que generan picos de temperatura controlados para iniciar un proceso similar a la impresión.

Financiado por los Institutos Nacionales de Salud, la Sociedad Americana del Cáncer, el Heritage Medical Research Institute y la Challenge Initiative de UCLA, el estudio combina ultrasonido con liposomas de baja temperatura (LTSLs) cargados con agentes de entrecruzamiento.

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

Estas vesículas se utilizan en diversas aplicaciones, incluyendo la focalización de fármacos, la entrega de fármacos y estudios in vitro de la dinámica de membranas celulares.

Los liposomas en el estudio están inmersos en una solución de polímero que contiene los monómeros del polímero deseado y la carga a entregar, como un fármaco terapéutico.

El polímero es un agente de contraste de imagen que revela cuando ha ocurrido el entrecruzamiento. En el estudio, se utilizan vesículas de gas para este propósito. Mediante monitoreo en tiempo real, la imagen por ultrasonido basada en vesículas de gas (GVs) permite crear patrones personalizados en animales vivos.

Las GVs son nanEstructuras proteicas llenas de aire que actúan como agentes de imagen y terapéuticos para ultrasonido, resonancia magnética y técnicas ópticas. Se usan cada vez más como agentes de contraste en la imagen por ultrasonido debido a sus propiedades únicas que les permiten generar contraste no lineal bajo ultrasonido. Las GVs pueden codificarse genéticamente y diseñarse, lo que las convierte en agentes de imagen versátiles.

La incorporación de LTSLs cargados con agentes de entrecruzamiento en la bio‑tinta permite que la nueva plataforma ofrezca un entrecruzamiento rápido y preciso de diversos biomateriales funcionales bajo demanda mediante ultrasonido focalizado.

El equipo validó su plataforma imprimiendo con éxito cerca de áreas cancerosas en la vejiga de ratones y profundamente dentro de los músculos de la pierna de conejos in vivo.

Al usar la plataforma DISP para imprimir polímeros cargados con un fármaco quimioterapéutico (doxorrubicina) cerca de un tumor de vejiga en ratones, el equipo logró una muerte de células tumorales mucho mayor durante varios días en comparación con aquellos que recibieron el fármaco mediante inyección directa de soluciones de fármaco.

Seguridad, Precisión y Biocompatibilidad: Potencial Clínico de DISP

El equipo de Caltech ha desarrollado una técnica para imprimir polímeros en 3D en ubicaciones específicas profundamente dentro de animales vivos. Elham Davoodi, profesora asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Utah, es la autora principal del estudio, que completó mientras era investigadora postdoctoral en Caltech.

Este método utiliza sonido para la localización. Ya se ha usado para imprimir polímeros tipo pegamento para sellar heridas internas y cápsulas de polímero para la entrega selectiva de fármacos.

Los científicos previamente usaron luz infrarroja para activar la polimerización, el proceso donde pequeñas unidades llamadas monómeros se enlazan para formar moléculas más grandes llamadas polímeros, dentro de animales vivos.

Sin embargo, el infrarrojo tiene una penetración muy limitada. “Solo llega justo debajo de la piel,” señaló Wei Gao, profesor de ingeniería médica en Caltech e investigador del Heritage Medical Research Institute.

En contraste, la nueva técnica puede alcanzar tejido profundo y también imprimir diferentes materiales para una amplia gama de aplicaciones mientras “mantiene una excelente biocompatibilidad.”

Para lograr la impresión in vivo de tejido profundo, el equipo recurrió al ultrasonido, una plataforma ampliamente utilizada en biomedicina para este propósito.

Pero necesitaban una forma de activar la unión de monómeros, o entrecruzamiento, en una ubicación específica y solo cuando se deseaba.

Así, el equipo introdujo una nueva forma, combinando ultrasonido con (LTSLs) cargados con agentes de entrecruzamiento y luego incrustados en una solución de polímero que contiene monómeros de polímero y la carga. Más componentes, como células y materiales conductores como plata o nanotubos de carbono, también pueden incluirse aquí. El bio‑tinta resultante se inyectó directamente en el cuerpo.

Ahora, para iniciar la impresión, los científicos usaron ultrasonido focalizado, que aumentó la temperatura en un área objetivo en unos pocos (aproximadamente 5) grados. Esto hace que los liposomas liberen su contenido, de modo que la impresión de polímero pueda comenzar en una ubicación precisa. Según Gao:

“Aumentar la temperatura unos pocos grados Celsius es suficiente para que la partícula de liposoma libere nuestros agentes de entrecruzamiento. Donde se liberan los agentes, ahí ocurrirá la polimerización o impresión localizada.”

Las vesículas de gas, que se derivan de bacterias y se usan aquí como agente de contraste de imagen, nos indican que todo funciona como se espera al aparecer fuertemente en la imagen por ultrasonido. Son sensibles a los cambios químicos que ocurren cuando la solución líquida de monómeros se entrecruza para crear una red de gel.

Cuando ocurre la transformación, las vesículas cambian de contraste, lo que se identifica mediante la imagen por ultrasonido. Esto permite a los científicos detectar fácilmente cuándo y exactamente dónde ocurrió el entrecruzamiento de la polimerización, permitiéndoles modificar los patrones que se imprimen en animales vivos.

Además de geles bioadhesivos y polímeros, el estudio también detalla el uso de la técnica para imprimir hidrogeles bioeléctricos, polímeros con materiales conductores incrustados utilizados para el monitoreo interno de signos vitales fisiológicos.

Ahora, la verificación de la plataforma DISP mediante experimentos exitosos en ratones y conejos sin signos de inflamación o daño tisular muestra el potencial de la plataforma para la entrega localizada de fármacos, reemplazo de tejido y bioelectrónica. Con el cuerpo eliminando la tinta no polimerizada en una semana, se destaca aún más su perfil de seguridad.

Además, su capacidad para imprimir materiales cargados con células, fármacos, bioadhesivos y conductores muestra su versatilidad para diversas aplicaciones médicas. Pero, por supuesto, para que se traduzca a uso clínico, la plataforma necesita refinamientos adicionales.

“Es una nueva dirección de investigación en el campo de la bioprinting. Nuestra siguiente etapa es intentar imprimir en un modelo animal más grande y, con suerte, en un futuro cercano, evaluar esto en humanos.”

– Gao

El equipo busca mejorar la capacidad de la plataforma DISP para localizar con precisión y aplicar ultrasonido focalizado mediante aprendizaje automático.

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

– Gao

Invertir en Bioimpresión 3D

Un pionero temprano en la industria de la impresión 3D, 3D Systems (DDD ) es uno de los nombres líderes a observar a medida que este espacio evoluciona. La compañía ofrece soluciones integrales de impresión 3D y fabricación digital, incluyendo impresoras 3D para metales, materiales y plásticos, software y servicios. Desde laboratorios dentales y fabricantes automotrices hasta diseñadores de semiconductores y fabricantes de dispositivos médicos, diseña software y desarrolla impresoras para todo tipo de industrias y materiales.

3D Systems (DDD )

3S Systems opera a través de dos segmentos: Soluciones de Salud, que atiende a odontología, medicina regenerativa, dispositivos médicos y servicios de salud personalizados, y Soluciones Industriales, que sirve a transporte, aeroespacial, defensa y manufactura general. 

En 2021, adquirió Allevi para expandir su iniciativa de medicina regenerativa acelerando el crecimiento en laboratorios de investigación farmacéutica. Según la empresa en su sitio web, la bioprinting 3D ha avanzado el desarrollo de modelos preclínicos sin animales y modelado de enfermedades 3D mediante diseños iterativos de bioprint y su capacidad de recapitular la biología humana in vivo.

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

Las acciones de la compañía cotizan actualmente a $1.94, con una caída del 22.26% en lo que va del año. A este nivel de precio, las acciones de 3D Systems han experimentado una disminución significativa desde su pico de aproximadamente $48.60, alcanzado a principios de 2021, al igual que muchas otras acciones en el mercado.

3D Systems ha alcanzado una capitalización de mercado de $345.6 millones, y su EPS (TTM) es -1.93, y su P/E (TTM) es -1.32.

En cuanto a los estados financieros de la compañía, muestran que en el primer trimestre de 2025, 3D Systems registró ingresos de $94.5 millones, lo que representó una disminución del 8% respecto al mismo trimestre del año anterior debido a menores ventas de materiales.

Los ingresos de Soluciones de Salud representaron $41.3 millones, mientras que $53.2 millones correspondieron a Soluciones Industriales.

Esto, dijo el CEO Dr. Jeffrey Graves, refleja “una continuación de presiones desafiantes en la línea superior ya que muchos clientes están retrasando sus inversiones de capital” para obtener mayor claridad sobre los posibles impactos de aranceles, además de la incertidumbre geopolítica y macroeconómica en curso.

El margen de beneficio bruto para el período fue del 34.6%, y el margen de beneficio bruto no GAAP fue del 35% debido a menores volúmenes y precios desfavorables. La pérdida neta, mientras tanto, fue de $37 millones. Al final de marzo de 2025, su efectivo y equivalentes de efectivo eran $135 millones, y la deuda total, neta de costos de financiamiento diferidos, era $212.3 millones.

Sin embargo, la compañía está trabajando en una iniciativa de ahorro de costos de $50 millones, que se completará a mediados de 2026. También se proyecta alcanzar el punto de equilibrio en EBITDA en el último trimestre de este año.

Además, su balance se fortaleció como resultado de la venta de la cartera Geomagic, proporcionando un aumento post‑impuestos de más de $100 millones en reservas de efectivo, alcanzando $250 millones al 30 de abril de 2025.

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

“Nuestra preservación deliberada de las inversiones en I+D durante los últimos años ha generado una ola significativa de introducción de nuevas tecnologías en toda nuestra cartera de productos, incluyendo tanto nuestras plataformas de polímeros como de metales.”

– Gravel

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

Este año, hasta ahora, 3D Systems ha colaborado con el principal fabricante de vehículos comerciales Daimler Truck (DTG.DE ) para facilitar la impresión remota de piezas de repuesto. La impresión bajo demanda busca superar cuellos de botella en la cadena de suministro y reducir el tiempo de entrega en un 75%.

Sus resinas de impresión 3D NextDent, validadas clínicamente, ahora abordan más de 30 aplicaciones, incluidas aquellas enfocadas en la reparación dental. La compañía también anunció el primer implante facial de PEEK impreso en 3D en su solución de fabricación aditiva en el punto de atención, en asociación con el Hospital Universitario de Basilea.

En un evento reciente, 3D Systems también presentó varios productos nuevos, como QuickCast® Diamond™ y PSLA 270, y un nuevo módulo para impresoras de extrusión de pellets EXT Titan de gran formato. También introdujo una impresora 3D de alta productividad y precisión Figure 4® 135 y el material Figure 4 Tough 75C FR Black para reducir el costo de la fabricación de bajo volumen y alta variedad.

Últimas noticias sobre 3D Systems

Conclusión

El sistema de salud ha experimentado una transformación masiva en las últimas décadas. Este viaje desde mezclas herbales hasta la sofisticada nanomedicina muestra que la evolución de la administración de fármacos ha estado marcada por la innovación tecnológica.

Ahora, el último desarrollo de los científicos de Caltech es un paso notable hacia adelante en el mundo de la revolución médica. Al usar las mismas ondas sonoras que actualmente se emplean para observar el interior del cuerpo con fines de imagen, la plataforma DISP puede penetrar mucho más profundo en los tejidos. Una mezcla a medida de solución (bioink) y transductor de ultrasonido focalizado (FUS), mientras tanto, permite la impresión precisa.

Al avanzar la tecnología hacia modelos animales más grandes y ensayos humanos, DISP, con su biocompatibilidad, precisión y adaptabilidad, promete redefinir la entrega de fármacos y la curación interna.

Haga clic aquí para obtener una lista de las principales acciones de bioprinting 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). Impresión sonora in vivo guiada por imágenes en tejido profundo. 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). Polimerización mediada por ultrasonido para la entrega de células, entrega de fármacos y impresión 3D. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197