Comprender la bioimpresión y sus aplicaciones

Bioimpresión, un tipo de Impresión 3d, utiliza células y otros materiales biológicos como "tintas" para fabricar estructuras biológicas 3D. Los materiales bioimpresos tienen el potencial de reparar órganos, células y tejidos dañados en el cuerpo humano. En el futuro, la bioimpresión puede usarse para construir órganos enteros desde cero, una posibilidad que podría transformar el campo de la bioimpresión.

Los investigadores han estudiado la bioimpresión de muchos diferentes tipos de células, incluyendo células madre, células musculares y células endoteliales. Varios factores determinan si un material puede ser bioimpreso o no. Primero, los materiales biológicos deben ser biocompatibles con los materiales de la tinta y la propia impresora. Además, las propiedades mecánicas de la estructura impresa, así como el tiempo que tarda el órgano o el tejido en madurar, también afectan el proceso.

Los bioenlaces generalmente se dividen en dos tipos:

• Geles a base de agua
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  o hidrogeles, actúan como estructuras 3D en las que las células pueden prosperar. Los hidrogeles que contienen celdas se imprimen en formas definidas, y el polímeros en los hidrogeles se unen o "reticulan" para que el gel impreso se vuelva más fuerte. Estos polímeros pueden ser derivados de forma natural o sintéticos, pero deberían ser compatibles con las células.
• Agregados de células que se fusionan espontáneamente en los tejidos después de la impresión.

El proceso de bioimpresión tiene muchas similitudes con el proceso de impresión 3D. La bioimpresión generalmente se divide en los siguientes pasos:

• Preprocesamiento: Se prepara un modelo 3D basado en una reconstrucción digital del órgano o tejido a bioimprimir. Esta reconstrucción se puede crear en base a imágenes capturadas de forma no invasiva (por ejemplo, con un Resonancia magnética) o mediante un proceso más invasivo, como una serie de cortes bidimensionales con imágenes de rayos X.
• Procesando: Se imprime el tejido u órgano basado en el modelo 3D en la etapa de preprocesamiento. Al igual que en otros tipos de impresión 3D, las capas de material se suman sucesivamente para imprimir el material.
• Postprocesamiento: Se realizan los procedimientos necesarios para transformar la impresión en un órgano o tejido funcional. Estos procedimientos pueden incluir colocar la impresión en una cámara especial que ayuda a las células a madurar adecuadamente y más rápidamente.

Al igual que con otros tipos de impresión 3D, los bioenlaces se pueden imprimir de varias maneras diferentes. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas.

• Bioimpresión basada en chorro de tinta actúa de manera similar a una impresora de inyección de tinta de oficina. Cuando se imprime un diseño con una impresora de inyección de tinta, la tinta se dispara a través de muchas pequeñas boquillas en el papel. Esto crea una imagen hecha de muchas gotas que son tan pequeñas que no son visibles a simple vista. Los investigadores han adaptado la impresión por inyección de tinta para la bioimpresión, incluidos los métodos que utilizan calor o vibración para empujar la tinta a través de las boquillas. Estas bioimpresoras son más asequibles que otras técnicas, pero están limitadas a bioenlaces de baja viscosidad, lo que a su vez podría limitar los tipos de materiales que pueden imprimirse.
• Asistido por láserbioimpresión utiliza un láser para mover células de una solución a una superficie con alta precisión. El láser calienta parte de la solución, creando una bolsa de aire y desplazando las células hacia una superficie. Debido a que esta técnica no requiere boquillas pequeñas como en la bioimpresión basada en chorro de tinta, se pueden usar materiales de mayor viscosidad, que no pueden fluir fácilmente a través de las boquillas. La bioimpresión asistida por láser también permite la impresión de muy alta precisión. Sin embargo, el calor del láser puede dañar las celdas que se imprimen. Además, la técnica no se puede "ampliar" fácilmente para imprimir rápidamente estructuras en grandes cantidades.
• Bioimpresión basada en extrusión usa presión para forzar el material fuera de una boquilla para crear formas fijas. Este método es relativamente versátil: los biomateriales con diferentes viscosidades pueden imprimirse mediante ajustar la presión, aunque se debe tener cuidado ya que las presiones más altas tienen más probabilidades de dañar el células. La bioimpresión basada en extrusión probablemente se puede ampliar para la fabricación, pero puede no ser tan precisa como otras técnicas.
• Electrospray y bioimpresoras de electrohilado hacer uso de campos eléctricos para crear gotas o fibras, respectivamente. Estos métodos pueden tener una precisión de hasta nivel nanométrico. Sin embargo, utilizan un voltaje muy alto, que puede no ser seguro para las células.

Debido a que la bioimpresión permite la construcción precisa de estructuras biológicas, la técnica puede encontrar muchos usos en biomedicina. Los investigadores han utilizado la bioimpresión para introducir células para ayudar a reparar el corazón después de un ataque cardíaco, así como para depositar células en la piel o el cartílago heridos. La bioimpresión se ha utilizado para fabricar válvulas cardíacas para su posible uso en pacientes con enfermedades cardíacas, desarrollar tejidos musculares y óseos y ayudar a reparar los nervios.

Si bien se necesita más trabajo para determinar cómo funcionarían estos resultados en un entorno clínico, La investigación muestra que la bioimpresión podría usarse para ayudar a regenerar tejidos durante la cirugía o después lesión. Las bioimpresoras podrían, en el futuro, también permitir que órganos enteros como hígados o corazones se hagan desde cero y se usen en trasplantes de órganos.

Además de la bioimpresión 3D, algunos grupos también han examinado la bioimpresión 4D, que tiene en cuenta la cuarta dimensión del tiempo. La bioimpresión 4D se basa en la idea de que las estructuras 3D impresas pueden seguir evolucionando con el tiempo, incluso después de que se hayan impreso. Las estructuras pueden cambiar su forma y / o función cuando se exponen al estímulo correcto, como el calor. La bioimpresión 4D puede ser útil en áreas biomédicas, como la fabricación de vasos sanguíneos aprovechando cómo algunas construcciones biológicas se pliegan y ruedan.

Aunque la bioimpresión podría ayudar a salvar muchas vidas en el futuro, todavía hay que abordar una serie de desafíos. Por ejemplo, las estructuras impresas pueden ser débiles e incapaces de retener su forma después de ser transferidas a la ubicación apropiada en el cuerpo. Además, los tejidos y órganos son complejos y contienen muchos tipos diferentes de células dispuestas de manera muy precisa. Las tecnologías de impresión actuales pueden no ser capaces de replicar arquitecturas tan complejas.

Finalmente, las técnicas existentes también se limitan a ciertos tipos de materiales, un rango limitado de viscosidades y precisión limitada. Cada técnica tiene el potencial de causar daño a las células y otros materiales que se imprimen. Estos problemas se abordarán a medida que los investigadores continúen desarrollando bioimpresión para abordar problemas de ingeniería y médicos cada vez más difíciles.

• Golpear y bombear las células del corazón generadas con una impresora 3D podría ayudar a los pacientes con ataque cardíaco, Sophie Scott y Rebecca Armitage, ABC.
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