Manufatura aditiva
Impressão 3D de Órgãos Humanos – Quão Realista é?
O mundo da impressão 3D está se expandindo a um ritmo significativamente rápido. Estimativas sugerem que o tamanho global do mercado de impressão 3D—produtos e serviços—crescerá três vezes entre 2020 e 2026. Avaliado em US$12,6 bilhões em 2020, o mercado pode crescer para mais de US$37 bilhões até 2026.
O aumento no mercado de aplicações é amplamente apoiado pelo espaço onde a inovação acontece—tanto no nível de instituições quanto de empresas. Grandes empresas de tecnologia dos EUA, por exemplo, têm sido muito ativas com a impressão 3D—como evidencia o número de patentes que publicaram desde 2010. A General Electrics, por exemplo, publicou até 342 patentes entre 2010 e 2019.
No entanto, o campo da impressão 3D sempre enfrentou a questão crucial da aplicabilidade na vida real. Embora sempre tenha sido um espaço cientificamente empolgante e atraente para explorar, muitos perguntam: ‘Quão realista é isso?’
Recentemente, um experimento bem‑sucedido mostrou o quão real isso poderia potencialmente ser quando uma equipe de pesquisa da University of Virginia School of Engineering and Applied Science desenvolveu o que poderia ser o modelo para os primeiros blocos de construção para órgãos compatíveis com humanos impresso sob demanda. No segmento a seguir, analisamos o experimento e o que ele alcançou em maior detalhe.
Biomateriais com Propriedades Mecânicas Controladas que Correspondem às de Vários Tecidos Humanos
O experimento foi liderado por Liheng Cai e Jinchang Zhu. Liheng Cai é professor assistente de ciência e engenharia de materiais e engenharia química, e Jinchang Zhu é seu estudante de doutorado.
O método de bioprinting que eles seguiram chama‑se Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Essa técnica deposita partículas de biomaterial em uma matriz de suporte à base de água para construir estruturas 3D que oferecem um ambiente propício para o crescimento das células.
Ao publicar suas descobertas na revista Nature Communications, os cientistas nomearam o relatório ‘Bioprinting voxelado de gotas de bio‑ink de rede dupla modular.’ O termo Voxel deriva do fato de que o processo de impressão segue como ‘voxels’—a versão 3D dos pixels—construem objetos 3D.
Ao explicar a descoberta que sua pesquisa proporcionou à comunidade científica, Jinchang Zhu disse:
“Nossas novas partículas de hidrogel representam o primeiro voxel funcional que já fizemos. Com controle preciso sobre as propriedades mecânicas, este voxel pode servir como um dos blocos de construção básicos para nossas futuras estruturas de impressão.”
Em sua tentativa de ser mais específico para o usuário comum, Zhu destacou as qualidades destacadas de sua técnica em comparação com outros métodos de bioprinting. Ele enfatizou o elemento de ‘Controle’ em sua tecnologia, que tornou possível imprimir organoides.
Esses organoides eram nada mais que modelos 3D baseados em células que podiam funcionar como tecidos humanos. Eles poderiam ser aproveitados para estudar a progressão de doenças em nossa busca sempre evolutiva por curas.
Um Grande Salto Comparado às Tecnologias de Bioprinting Existentes
Zhu descreveu sua inovação como um ‘grande salto’ comparado às tecnologias de bioprinting existentes porque era ‘robusta e amigável às células.’ As partículas de hidrogel polímero usadas no experimento podiam imitar tecidos humanos ao ajustar a disposição e as ligações químicas de monômeros de molécula única, que se ligam em cadeias para formar redes.
Em comparação com outras soluções semelhantes, a solução oferecida por Cai e Zhu também se mostrou menos tóxica e mais biocompatível.
A equipe também alcançou melhorias significativas no uso da bioprinter. O bico multicanal que eles projetaram podia misturar componentes de hidrogel sob demanda. Isso ajudou a resolver o desafio decorrente da reticulação ultrarrápida, que transformava gotas líquidas em gel elástico inchado de água em 60 segundos.
A técnica DASP elimina esse gargalo ao depositar grandes gotas de um bico estreito e de rápido movimento na matriz, suspendendo‑as imediatamente. De certa forma, resolve uma questão central sobre a ciência da matéria macia e bioprinting 3D: a manipulação precisa de voxels viscoelásticos. Ao resumir a conquista, Cai disse:
“Agora estabelecemos a base para o bioprinting voxelado. Quando totalmente realizado, as aplicações do DASP incluirão transplante de órgãos artificiais, modelagem de doenças e tecidos, e triagem de candidatos a novos fármacos. E provavelmente não vai parar por aí.”
Como já vimos, as inovações em torno do bioprinting 3D vêm ocorrendo há muito tempo. Portanto, é bastante óbvio que muitas empresas renomadas adotaram essa tecnologia. Nos segmentos a seguir, analisamos duas empresas que têm facilitado esse espaço na ciência médica e tecnologia de saúde.
#1. Northwell Health
A empresa afirma ser ‘100% dedicada a ser o primeiro sistema de saúde a imprimir em 3D sua cura’. Uma das intervenções mais cruciais da Northwell Health nesta área tem sido em próteses.
A empresa 3D‑imprimiu um membro protético anfíbio. A solução é uma nadadeira que permite ao amputado entrar e sair da água sem trocar de prótese.
Os benefícios da nadadeira incluem o uso de materiais de fibra de carbono de última geração e a exploração de uma forma ergonômica para garantir movimento durável e eficiente. A Northwell usou nylon reforçado com fibra de carbono para imprimir a nadadeira, focando em força e flexibilidade. Além disso, sua durabilidade a tornou adequada para uso em terra e na água.
A nadadeira apresentava dinâmicas de material únicas. Possuía furos em forma cônica que podiam controlar a quantidade de água que passava por ela. O design e a disposição dos furos permitiam arrasto e propulsão naturais na água. O número de furos era ajustável às necessidades específicas do amputado.
A Northwell Health tem sido, há muito tempo, uma defensora no desenvolvimento de modelos detalhados de partes do corpo impressos em 3D para ajudar cirurgiões a planejar melhor as operações. A empresa percebeu o potencial da impressão 3D antes que se tornasse uma tendência tão forte.
Em uma citação de 2018, Todd Goldstein, diretor do 3D Design and Innovation Center na Northwell Health, teve o seguinte a dizer:
“O uso da impressão 3D na medicina nos permite retirar a anatomia dos pacientes da tela do computador e colocá‑la nas mãos do médico. Esse tipo de tecnologia é um divisor de águas para todas as partes envolvidas, pois permite que os médicos visualizem melhor a patologia, permite que os pacientes realmente vejam qual tratamento é necessário, e … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …
Em 2023, a Northwell Health registrou receita de US$16,9 bilhões e uma margem EBITDA de 6,3%.
#2. Psyonic
Outra empresa que tem realizado um trabalho notável nesta área é a Psyonic. Ability Hand, produto principal da Psyonic, é a mão biônica sensível ao toque mais rápida e a primeira do mundo. Prometida para restaurar a vida e a mobilidade ao que eram, PSYONIC utiliza a impressão 3D para prototipar de forma eficiente, aumentar a acessibilidade e a acessibilidade, e melhorar a durabilidade e a resistência a impactos.
A Psyonic adicionou valor significativo à sua solução incorporando sensores nas pontas dos dedos da mão biônica que detectam pressão quando o usuário segura um objeto e enviam uma vibração ao braço para comunicar essa sensação.
Consequentemente, o usuário da mão pode sentir a ação e trabalhar com os objetos mais delicados com facilidade, conforto e fluidez. Sua robustez permite que suporte impactos de força bruta sem quebrar. Também é resistente à água e vem com uma variedade de padrões de preensão para uso ao longo do dia.
A Ability Hand oferece 32 padrões de preensão no total, dos quais 19 são predefinidos e disponíveis para uso. É leve, pesando 490 gramas. É multiarticulada, com todos os cinco dedos prontos para flexionar e estender, e o polegar pode girar eletricamente e manualmente.
Pode ser carregada com um USB‑C em uma hora. É compatível cruzada e funciona com a maioria dos sistemas de reconhecimento de padrões EMG de terceiros, sistemas de controle direto EMG, transdutores lineares e resistores sensíveis à força.
De acordo com as informações de financiamento mais recentes disponíveis, a campanha de equity crowdfunding da Psyonic arrecadou mais de US$1 milhão até o momento.
Evidente a partir desses exemplos de partes do corpo humano impressas em 3D é que, realisticamente, a impressão 3D de órgãos humanos não é um sonho distante. Embora já tenhamos discutido recentemente uma das descobertas mais significativas neste campo, exploraremos mais pesquisas relevantes para entender o enorme potencial do futuro.
O Futuro da Impressão 3D: Tão Próximo da Realidade Quanto Possível
O uso ineficiente de hidrogel na produção de órgãos impressos em 3D tem alguma história. Um relatório de pesquisa de 2022 citou o caso de uma equipe de estudo liderada pelo Professor Thomas Scheibel, da Universidade de Bayreuth, que produziu com sucesso um “bio‑ink” ou hidrogel ao misturar seda de aranha com células de fibroblastos de camundongo usando impressão 3D.
Os géis podiam transformar‑se rapidamente de um estado fluido para sólido ao fluir através da cabeça da impressora até uma superfície de extrusão. O conhecimento foi encontrado para ser usado na replicação de tecido muscular cardíaco usando andaimes de seda de aranha e cardiomiócitos.
Um relatório de 2023 que investigou de forma abrangente a realidade de usar impressão 3D para replicar órgãos humanos afirmou que isso seria uma ‘realidade iminente.’ Citou muitos casos que indicam um futuro promissor em todas as possíveis implicações.
Por exemplo, em 2022, em San Antonio, Texas, o Dr. Arturo Bonilla pôde implantar uma orelha externa em uma mulher de 20 anos—nascida sem uma—construindo a orelha direita com a forma e tamanho exatos da esquerda. O caso foi extremamente importante, pois foi a primeira vez que a orelha implantada foi produto de uma bioprinter 3D usando as células de cartilagem da mulher.
Pesquisadores da Polônia também conseguiram imprimir um protótipo funcional de pâncreas com fluxo sanguíneo estável. O experimento foi conduzido em porcos e observado por duas semanas. Enquanto isso, esforços para adaptar as técnicas para pulmões humanos também estavam em andamento. Michal Wszola, criador do Pâncreas Biónico, e a United Therapeutics Corporation imprimiram em 3D um andame pulmonar humano com 4.000 quilômetros de capilares e 200 milhões de alvéolos (pequenas sacolas de ar) que poderiam trocar oxigênio em modelos animais.
Os cientistas do Wake Forest Institute for Regenerative Medicine desenvolveram um sistema móvel de bioprinting de pele. Acreditam que em breve será possível levar a impressora diretamente ao lado da cama de um paciente com uma ferida que não cicatriza, como uma queimadura, escanear e medir a área da ferida e imprimir em 3D a pele, camada por camada, diretamente sobre a superfície da ferida.
O professor Tal Dvir é diretor de engenharia de tecidos e medicina regenerativa na Universidade de Tel Aviv, em Israel. Ele liderou o projeto de um coração do tamanho de um coelho, que possui células, câmaras, os principais vasos sanguíneos e batimento cardíaco. Ao falar sobre a invenção e seu potencial para o futuro, Dvir disse:
“Agora estamos trabalhando nas células de marca‑passo, nas células atriais, nas células ventriculares. Parece bom. Acredito que este é o futuro.”
Especialistas em saúde acreditam que a capacidade da civilização humana de imprimir órgãos em 3D ajudaria a lista de espera de 106.000 pessoas por doações de órgãos. Cada dia, 17 pacientes morrem enquanto aguardam. Poder imprimir órgãos humanos em 3D salvaria muitas vidas.
De acordo com Mark Skylar‑Scott, professor assistente do Departamento de Bioengenharia da Universidade de Stanford:
“O campo avançou muito rapidamente nas últimas duas décadas, de bexigas impressas a tecidos altamente celulares com vasos que podem ser conectados a uma bomba—and modelos 3D complexos que se assemelham a componentes cardíacos com células cardíacas integradas.”
Agora é quase certo que a impressão 3D de órgãos humanos revolucionará nossos procedimentos de tratamento e sistemas de cuidados. No entanto, será necessário superar alguns desafios.
Por exemplo, precisaria ser mais resistente ao estresse. A produção e a fabricação precisariam ser mais inclusivas em termos de compatibilidade dos materiais brutos. Precisaria tornar‑se energeticamente eficiente para que possa ser escalada mais rapidamente.
Precisaria eliminar os compostos orgânicos voláteis emitidos pelas impressoras 3D, que são frequentemente carcinogênicos e tóxicos e podem causar sérios problemas de saúde, como danos a órgãos, irritação na garganta e náuseas. Por fim, precisaria ser custo‑efetiva e acessível para beneficiar uma grande parte da nossa população sub‑tratada em todo o mundo.
Clique aqui para uma lista das ações de bioprinting 3D mais promissoras.
