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Impresin 3d en la biomedicinaAutor:
Cristhian Mauricio Quezada
[email protected] Politcnica Salesiana - Ing.
Electrica- Vianazaca
Resumen
En este documento se presenta la gran importancia y utilidad de
las impresoras 3D en la rama de la biomedicina. La impresora 3D se
basa en un diseo modular casero (solo para anlisis), mediante el
cual se puede obtener distintas formas de impresiones, las cuales
se pueden implementar como diseo para parte de rganos, las cuales
pueden ser sustituidas en el cuerpo humano. Estos servicios
permiten a que una persona que le falte algn rgano esencial para la
vida se lo puede reconstruir en la impresora 3D, el cual para el
diseo se necesita las clulas de la persona, para que este a la vez
al ser colocado en el cuerpo sea compatible. Actualmente existen
grupos de personas que se dedican a realizar estudios para as
mejorar los diseos de las impresoras y a la vez el diseo de cada
parte del rgano con el nico objetivo de reducir el costo y el error
de compatibilidad y los resultados que se presenta hasta ahora son
muy prometedores.
Palabras Clave: Bioprinting, impresora, regeneracin,
trasplantes, andamios.
AbstractIn this document the importance and usefulness of 3D
printers in the field of biomedicine is presented. The 3D printer
is based on a modular design home (only for analysis), through
which you can get various forms of printing, which can be deployed
as part design organ, which can be substituted in the human body.
These services enable a person to an essential organ for life lacks
it can reconstruct the 3D printer, which for the design of the
individual cells is needed for this at a time when placed in the
body is compatible. Currently there are groups of people who are
engaged in studies to improve designs printers while designing each
part of the body with the sole aim to reduce the cost and
compatibility error and the results presented so far are very
promising.Keywords: Bioprinting, printer, regeneration,
transplantation, scaffolds.Introduccin
La utilizacin de las impresoras 3D en diversos campos se ha
vuelto muy importante en la actualidad y an ms cuando es empleado
en la rama de la medicina. En todo el mundo ms de mil millones de
personas conviven con algunas deficiencias, entre estas, cerca de
200 millones presentan problemas funcionales y este en un nmero
creciente y preocupante [4]. Por lo tanto al haber un gran nmero de
personas con alguna deficiencia, se requiere el uso de ayudas para
compensar la falta de algn mimbro funcional. En busca de dichas
soluciones se plantean prototipos rpidos en rea de la medicina, los
cuales servirn de apoyos a la elaboracin de procedimientos
complejos quirrgicos o la fabricacin de prtesis [4]. La revolucin
de la impresin 3D pasa hoy por su aplicacin en el mbito de la
medicina, donde esta tecnologa ha dejado de ser una promesa para
convertirse en una herramienta para los profesionales de la salud
[3]. Hay tres factores que estn impulsando la tendencia: las
impresoras ms sofisticados, los avances en medicina regenerativa, y
el software CAD (diseo asistido por computadora) refinado [1]. Una
tcnica popular en el mundo de la manufactura avanzada, impresin 3D,
se ha modificado para crear, estructuras precisas en 3D de los
tejidos vivos [2]. Otro dato interesante es que de hecho, mdicos
del Hospital Universitario de Utrecht, en Holanda, implantaron por
primera vez en el mundo un crneo completo hecho con una impresora
en tres dimensiones a una mujer de 22 aos que padeca una enfermedad
de los huesos que comprima su cerebro [3]. Entonces la impresora 3D
ha surgido con el objetivo para la impresin directa de clulas junto
con materiales de enseanza a base de hidrogel para la construccin
de tejido y rganos [5]. En tal virtud, en este trabajo se propone
llevar a conocer el uso, funcionamiento y las limitantes en una
impresora 3D dirigido hacia la rama de la medicina. Adems se
presentara un prototipo de impreso 3D estndar en el cual se
indicara las partes y funcionamiento. El resto del presente artculo
se organiza de la
siguiente forma: en la seccin 2 se revisa el funcionamiento de
una impresora 3D estndar; en la seccin 3 se presenta los elementos
(materiales) empleados para la construccin de rganos o prtesis en
la impresora 3D , las ventajas y desventajas (limitantes) se
analiza en la seccin 4; finalmente en la seccin 5 se revisan las
conclusiones.Impresora 3DLas tecnologas de impresin 3D estn basadas
en las denominadas tecnologas de procesos aditivos. Este concepto
de fabricacin aditiva describe a las tecnologas en las que un
objeto es creado mediante la definicin de una secuencia de capas
[6].
Figura 1. Modelo de una impresora real, 1 extrusor, 2 material
depositado y 3 ejes de movimiento. [7]En la figura 1 se puede
observar la impresin, en otras palabras, una seccin transversal es
impresa en un substrato 2D, y mediante el movimiento de este
substrato capa a capa en la coordenada Z, se obtiene un producto en
tres dimensiones.
Para nuestro caso se debe estudiar el modelo de impresora e
impresin aplicado a la medicina, para efectos bioprinting.
Bioprinting 3D est siendo aplicada a la medicina regenerativa
para hacer frente a la necesidad de tejidos y rganos adecuados para
el trasplante. En comparacin con la impresin no biolgico,
bioprinting 3D implica complejidades adicionales, tales como la
eleccin de materiales, tipos de clulas, factores de crecimiento y
diferenciacin, y desafos tcnicos relacionados con la sensibilidad
de las clulas vivas y la construccin de tejidos [8].Por lo tanto el
bioprinting es el uso de procesos de transferencia del modelado y
montaje de materiales vivos u no vivos. Los cules sern prescritos
en 2D o 3D para as producir estructuras bioingeniera que prestan
servicios a las medicinas regenerativas, farmacuticos y estudios
bsicos de la biologa celular [9], [11].Tal avance de la tecnologa
bioprinting en tres dimensiones dibuja desde el uso de geles
termo-reversible.
Los geles son fluidos a 20 C y por encima de 32 C y por lo tanto
similar a mtodos de impresin convencionales se pueden aplicar, de
manera que las estructuras del tejido se pueden imprimir con clulas
que representa una tinta biolgica [11].
Figura 2. Principio de impresin de rganos. [12]Por lo tanto las
capas sucesivas podran ser producidas simplemente dejando caer otra
capa de gel sobre una ya impreso en la superficie.
Para el almacenamiento de la tinta se emplean sistemas mecnicos
los cuales mediante tubos, mangueras hacen circular la tinta a
imprimir.
Figura 3. Modelo de una impresora real, 1 extrusor, 2 material
depositado y 3 ejes de movimiento. [13]Como se puede ver en la
figura 3, la tinta entra a travs de un tubo y va a la placa de la
boquilla del cabezal, que pasa por un filtro de tinta y se almacena
temporalmente en la cavidad, el cual es un depsito de tinta.
Por lo tanto esta tecnologa nos permite imprimir rganos
complejos en 3D con asignacin exacta y precisa de diversos tipos de
clulas mediante el uso del gel. La importancia de esta tecnologa
puede demostrar, si tomamos en cuenta que las clulas humanas se
colocan suficientemente cerca en capas secuenciales de geles para
formar objetos (rganos) en 3D, que pueden fusionarse y crear rganos
completamente funcionales. El proceso se ilustra en las figuras 4 y
5 a continuacin.
Figura 4. Modelado 3D empleando gel. [14]
Figura 5. Ensamble (colocacin) de las clulas. [15]Por lo tanto
con lo mencionado anterior en la seccin 2 se observa el principio
de funcionamiento de una impresora 3D en el rea de la medicina, y
las cuales deben regirse a las normas de la Sociedad Mdica
Mundial.
Materiales
La cuestin de los materiales son de suma importancia ya que
mediante el cual puede mejorar un proceso o sino tambin puede
influir de manera negativa en el destino celular de la persona a la
cual se le implante. Para este caso han sido investigados
diferentes tipos de materiales (naturales y sintticos,
biodegradables y permanentes) para la implementacin en la impresin
3D.
Por lo tanto la mayora de estos materiales han sido conocidos en
el campo de la medicina antes de la llegada de la ingeniera de
tejidos como un tema de investigacin, ya que se emplean como
biorreabsorbibles suturas. Ejemplos de estos materiales son el
colgeno y algunos polisteres [18].
Un material sinttico utilizado es PLA (cido polilctico). Este es
un polister que se degrada en el cuerpo humano para formar cido
lctico, una sustancia qumica de origen natural que se elimina
fcilmente del cuerpo. Materiales similares son el cido poligliclico
(PGA) y policaprolactona (PCL): su mecanismo de degradacin es
similar a la de PLA, pero que presentan, respectivamente, un ms
rpido y una menor velocidad de degradacin en comparacin con el PLA
[18].
Figura 6. Nanotubo de carbono. [18]Un estudio realizado en 2009
por Ratmir dirigido a mejorar las condiciones de un ser vivo, para
el tejido 3D a travs de "apilamiento y desapilar capas de papel
impregnado con suspensiones de clulas en la matriz extracelular de
hidrogel, por lo que es posible controlar los gradientes de oxgeno
y de nutrientes en 3D, y para analizar las respuestas moleculares y
genticas" [16]. Es posible manipular los gradientes de solubles
molculas, y caracterizar las clulas en estos degradados complejos
con mayor eficacia que las culturas 3D convencionales basados en
hidrogeles, esferoides celulares, o reactores de perfusin 3D. [17]
Los diferentes grosores de papel y tipos de medio puede soportar
una variedad de entornos experimentales. La deconstruccin de estas
hojas, pueden ser tiles en base de clulas cribado de alto
rendimiento y el descubrimiento de frmacos [18].Ventajas y
desventajas de la impresin 3D
El enfoque de la ingeniera de tejidos es muy prometedor, ya que
ofrece la posibilidad de reemplazar tejidos daados con nuevo tejido
que se deriva del paciente y, por tanto, no requerirn frmacos
inmunosupresores para contrarrestar el rechazo.
a) La ingeniera de tejidos ha sido un prometedor campo de
investigacin, ofreciendo esperanza para salvar la brecha entre la
escasez de rganos y necesidades de trasplante [21].
b) Reconstruccin facial.c) Extensin de la vida.d) Convergencia
Industrial entre mdicos, ingenieros y cientficos de la
computacin.e) Puede utilizar polmeros para crear material y no
utilizar las clulas madre adultas, as como clulas embrionarias, en
el cuerpo como la tinta para construir, lo cual el futuro de los
trasplantes de rganos, venas y cartlago puede sintetizarse
[22].
e) Se pueden realizar prtesis, tambin pueden utilizar las piezas
en movimiento, lo que aumenta el realismo de la prtesis y adems se
emplean en la reparacin y reconstruccin sea [22], [23].
La tecnologa se enfrenta a varias limitaciones que presentan
interesantes problemas de deteccin, actuacin y control. Los cuales
se discuten la naturaleza y el alcance de estos problemas.
Sin embargo, varios obstculos impiden la plena aplicacin del
enfoque de la ingeniera de tejidos para construcciones en 3
dimensiones:
a) La penetracin celular y la siembra no se controla, lo que
resulta en el tejido con la maduracin no uniforme. Mtodos de
fabricacin actuales no permiten intrincados diseos y patrones de
clulas en 3D [19].
b) Los rganos se componen de muchos tipos de clulas; la
colocacin de diferentes tipos de clulas en localizaciones
espaciales especficas representa un enorme desafo [19].
c) La difusin de oxgeno a travs de grandes construcciones es
limitado, y andamios actuales no contienen capilares o tubos
vasculares [19].
d) Otra de las dificultades es la vascularizacin, que es
proporcionar un suministro adecuado de oxgeno y nutrientes a las
clulas dentro de las construcciones de ingeniera tisular gruesas.
Debido a que limitan la difusin de oxgeno y nutrientes, los tejidos
ms gruesos tienen problemas de difusin y no pueden sobrevivir ni
pueden proliferar bien [20].
Por lo tanto la adaptacin de las tecnologas de fabricacin
existentes para la ingeniera de tejidos sigue siendo un verdadero
desafo.
Conclusiones
La contribucin de las impresoras 3D en el campo de la medicina
es innovador, ya que mediante este se puede generar rganos y a la
vez alguna parte faltante del cuerpo (prtesis).
Por otra parte, la aplicacin de tcnicas de impresin en polvo
(bioprinting) a base de implantes para reparar las lesiones
craneales y maxilofaciales es una posibilidad. Considerando que, la
produccin de materiales inorgnicos como corazones o implantes
craneales es mucho ms fcil, en directo la impresin de rganos tal
como un odo es capaz de ser utilizada para la implantacin en un ser
humano, lo cual se ha demostrado ser factible, sin embargo,
requiere de una mayor investigacin.Muchos de los desafos de la
ingeniera de tejidos en general y biomedicina especficamente son de
naturaleza biolgica, sin embargo, muchos parecen caer dentro del
mbito de la ingeniera de sistemas. De particular inters son los
problemas relacionados con la ingeniera de tejidos que pueden ser
abordados a travs de la robtica, mecatrnica, y controles.
La tecnologa es muy prometedora, todava hay un largo camino por
recorrer para lograr prcticamente esta visin ambiciosa. La
superacin de los obstculos actuales en la tecnologa celular, la
tecnologa de bioproduccin y tecnologas para la integracin en los
seres humano es esencial para el desarrollo de la tecnologa a la
perfeccin automatizado de aislamiento de clulas madre para
trasplantes.Referencias
[1] S. Leckart, How 3-D printing body parts will revolutionize
medicne, Popular Science vol. 1, pp. 1-2, Agosto 2013.
[2] M. Crawford, Creating valve Tissue using 3-D bioprinting,
ASME.org vol. 1, pp. 1-2, Mayo 2013.
[3] F. Ballarino, Las impresoras 3D ya se usan en el pas para
crear prtesis a medida, Fortuna vol. 876, pp. 1-2, Abril 2014.
[4] Mechanical test in thermoplastic elastomers used in 3D
printers for the construction of hand prosthesis, IEEE Standard
CFP1418G-ART, April. 2014.
[5] Three dimensional cell-hydrogel printer using
electromechanical microvalve for tissue engineering, IEEE Standard
Th2B.004, June. 2009.
[6] F. Garcia, F. Torres, Diseo de un impresora 3D capaz de
crear mltiples objetos simultneamente Proyecto de titulacin,
Universidad Politcnica de Madrid. Sep. 2023.[7] J. Maturana, Estas
son las tecnologas de impresin que hay sobre la mesa y lo que
puedes esperar de ellas, Xataka vol. 1, pp. 1-2, Febrero 2014.
[8] S. Murphy, A. Atala, 3D Bioprinting of tissues and organs
nature biotechnology vol. 1, pp. 1-4. August 2014
[9] Guillemot, F., Mironov, V., & Nakamura, M. Bioprinting
is coming of age: Report from the International Conference on
Bioprinting and Biofabrication in Bordeaux (3B'09): Biofabrication.
2010 Mar;2(1):010201.doi: 10.1088/1758-5082/2/1/010201. Epub
2010
Mar 11.
[10] 3D Printing: Basic concepts Mathematics and Technologies,
IEEE Standard 978-1-4799-3163-7, 2013.
[11] A. Michael Berman. 3D Printing: Making the Virtual Real,
EDUCAUSE Evolving Technologies Committee, EEUU, October 2007.
[12] Anonyms, Printing Organs [online]. Zzzine content
management engine, 2004 Disponible en:
http://www.zzz.com.ru/index.php?area=issues&action=show_issue&issue_no=200
[13] G. Torres, A. SOuza Como desatacar Epson Print Heads,
HARDAWARE secrets: Uncomplicating the complicated vol. 1, pp. 1-4,
Agosto 2005.
[14] Anonyms, Understanding and employing multicellular
self-assembly [online]. Organ Printing, 2007, Disponible en:
http://organprint.missouri.edu/www/
[15] Mironov, V., Boland, T., Trusk, T., Forgacs, G., &
Markwald, R. R. (2003). Organ printing: computer-aided jet-based 3D
tissue engineering. [Research Support, U S Gov't, Non-P H S].
Trends Biotechnol, 21(4), pp. 157-161
[16] Department of Medicinal Chemistry and Center for
Therapeutic Biomaterials, Evaluating drug efficacy and toxicology
in three dimensions: using synthetic extracellular matrices in drug
discovery, Pubmed.gov, pp. 10-11, Jul 2007.
[17] T. Cox, J. Erler, Remodeling and homeostasis of the
extracellular matrix: implications for fibrotic diseases and
cancer, DMM (Disease Models & Mechanisms), pp. 165-166,
2011.
[18] Anonyms, Tissue engineering [online]. Organ Printing, 2007,
Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Tissue_engineering[19]
Systems Engineering Challenges in Inkjet Biofabrication, IEEE
Standard 10.1109/SECON.2007.342931,pp 395- 398, 2007.[20]
Construction of vasculature structure within fluidic channel using
three-dimensional bio-printer, Lee, V.K.; Lee, W.; Yoo, S.S.; Dai,
G. Bioengineering Conference (NEBEC), 2011 IEEE 37th Annual
Northeast DOI: 10.1109/NEBC.2011.5778703 Publication Year: 2011,
Page(s): 1- 2.
[21] Bioprinting Toward Organ Fabrication: Challenges and Future
Trends, Ozbolat, I.T. ; Yin Yu Biomedical Engineering, IEEE
Transactions on Volume:60, Issue: 3 DOI: 10.1109/TBME.2013.2243912
Publication Year: 2013 , Page(s): 691- 699
[22] Anonyms, Bioprinting [online]. Future Technologies,
November 2014, Disponible en:
http://www.explainingthefuture.com/bioprinting.html
[23] Anonyms, Bioprinting Advantages [online]. Organovo,
Disponible en:
http://www.organovo.com/science-technology/bioprinted-human-tissue/bioprinting-advantages
Autor:Cristhian Mauricio Quezada
[email protected] Politcnica Salesiana - Ing.
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