INFORME 1. ESTADO DEL ARTE DE LA BIOIMPRESIÓN 3D

1Universidad El Bosque-Fundación M3D Colombia. García, Vidarte. Informe 1. Estado del arte de la bioimpresión 3D.

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INFORME 1. ESTADO DEL ARTE DE LA BIOIMPRESIÓN 3DGarcía Villegas, Carolina; Vidarte Pastrana, María Mercedes.{ cgarcí[email protected], [email protected] }

Universidad El Bosque-Fundación M3D Colombia.

Resumen—

Índice de Términos—Bioimpresión 3D, regeneración ósea, Tejidos, Scaffolds.

I. INTRODUCCIÓN

II. LINEA DEL TIEMPO DE LA BIOIMPRESIÓN 3D

A pesar de que la Bioimpresion 3D es un tecnología futurista, presenta sus orígenes hace un tiempo atrás, alrededor de100 años. En 1907 Ross Harrison, el cual fue un biólogo del desarrollo americano, empezó a cultivar tejidos in vitro, locual fue la fundación del cultivo celular moderno y es lo que hoy en día integra los componentes para la aplicación de latecnología 3D [1].

Su trabajo fue continuado en la década de 1950 y 1960 por biólogos, quienes trataron de reconstruir en 3D un tejido invitro mediante procesos de auto ensamble. Gracias a esto se empezaron a entender y a reconocer la importancia de losconceptos de fusión de los componentes de un tejido, lo cual es la base fundamental para el desarrollo de la Bioimpresionhoy en día [1].

El inicio de la impresión 3D se remonta a 1976, cuando se inventó la impresora de inyección de tinta [2]. En 1984,adaptaciones y avances en el concepto de inyección de tinta habían transformado la tecnología de impresión con tinta deimpresión con materiales. En este mismo año, Charles Hull, inventa la estereolitografía, un proceso de impresión quepermite obtener un objeto en 3D a partir de datos digitales, esta tecnología se utiliza para crear un modelo 3D de laimagen, y permite a los usuarios probar un diseño antes de invertir en una mayor producción [2] [3] [4].

En 1986 se desarrolló la tecnología de láser, la cual es una técnica de impresión 3D en el que sucesivas capas del materiales pulverizado y se fusionan usando un láser de alta potencia, esta tecnología fue desarrollada por Carl Deckard y JoeBeaman en la Universidad de Texas en el departamento de ingeniería mecánica de Austin [5].

En 1988 Scott Crump invento la técnica de deposición por Fusion, esta técnica es la más utilizada hoy en día, esta trabajapor calefacción y la extrusión de filamentos termoplásticos, en donde se depositan capa a capa liquida del material,algunas de las clases de materiales que se imprimen con esta técnica son ABS y PLA [5].

A principios de la década de 1990 se comienza a desarrollar los sistemas en 3D introduciendo la nueva generación de losnanos compuestos, compuestos plásticos y metales. [1] [4].

La Bioimpresión se empieza a desarrollar en la década de 1990, surgiendo las ideas de implementar la impresión paratejido vivo, por ello, los científicos seleccionaron tamaños de boquillas apropiadas, entre 10µm y 50µm, ya que, el rangode la mayoría de las células es entre 40µm y 50µm, utilizando asi varias boquillas para distintos propósitos. Asi mismo,analizaron si las células podrían sobrevivir en los cabezales cuando se hiciera la inyección para lo cual realizaron ensayoscon diferentes temperaturas entre 250-350°C, obteniendo resultados favorables. Finalmente, esterilizaron y limpiaron loscabezales, y en estos colocaron materiales como células y soluciones, creando asi las primeras biotintas [1] [4].

1Premio Colombiano de Informática ACIS 2011

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Después de que el sistema había sido probado, la tecnología avanzó hacia la prueba en animales, lo que permitió que loscientíficos averiguaran cómo imprimir células madres extraídas de líquido amniótico y cómo formar tejido óseo [1].

Ahora bien, para entender un poco más acerca de esta evolución en el desarrollo de la Bioimpresion en la década de 1990,se realiza a continuación una revisión específica del proceso en este avance.

En 1992 la primera impresora 3D, es construida por la compañía 3D systems [6]

En 1994, Solidscape desarrolla una tecnología de impresión 3D de chorro de tinta, para la creación de objetos de cerasólida que pueden utilizarse como base para la posterior fundición de metales [5].

En 1996 surge la idea de la impresión 3D de órganos, cuando el doctor Gabor Forgacs investigaba con Charles Hullobservaron que las partes biológicas presentan propiedades similares entre ellas, permitiendo asi, que se mostrara graninterés en los productos que utilizan materiales extraídos directamente de los tejidos de los pacientes [7]. Inicialmente, losprimeros ensayos fueron con andamios sintéticos pero después se llevó a cabo la investigación en el proceso deestereolitografía de proyección óptica dinámica (DOPsL) encontrando asi que los tejidos biologicos como las células dela sangre se podrían imprimir en segundos [8].

En 1999, los científicos del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, utilizaron una impresora 3D para construirun andamio sintético de una vejiga humana, tomando células de los pacientes y se obtuvo un crecimiento éxito del órganotrabajado [4][2][7].

En 2002, los científicos crearon un riñón miniatura funcional que es capaz de filtrar la sangre y producir orina diluida enun animal. El desarrollo de la investigación en la Wake Forest Instituto para la Medicina Regenerativa apunta a "imprimir"órganos y tejidos con tecnología de impresión en 3D [2].

En el 2003, los laboratorios de Thomas Boland en Clemson modificaron el sistema de inyección para lograr imprimir pormedio de dispersión células en scaffolds [3] [9] [7].

En el 2004, el doctor Forgacs desarrollo la nueva tecnología para imprimir en 3D tejidos sin necesidad de scaffolds, si no,que utilizando únicamente células [3] [9] [7].

En el 2004, el equipo de Douglas Chrisey en el laboratorio de investigación Naval desarrollo un método para imprimirbiotintas por medio de Bioimpresión 3D por láser [9].

En el 2005, el Dr, Adrian Bowyer de la Universidad de Bath funda RepRap, que es una iniciativa de código abierto paraconstruir impresoras 3D que imprima varios componentes. La visión de este proyecto es democratizar la fabricación parapermitir que las personas creen productos de uso cotidiano por su propia cuenta [2].

En el 2006 la máquina SLS (sinterización por láser), primero se convierte en viable y segundo este tipo de máquinagenera un avance hacia la personalización masiva y la fabricación de piezas industriales y más tarde, las prótesis a bajocosto [2].

Ese mismo año Objet, un proveedor de materiales y sistemas de impresión en 3D crea una máquina capaz de imprimirmúltiples materiales como elastómeros y polímeros [2].

En el 2006, una aorta de bovino fue fabricada por tecnología 3D [7].

En el 2007 se empieza a utilizar la impresión digital [7].

Premio Colombiano de Informática ACIS 2011


En el 2008 camina la primera persona con una prótesis elaborada en impresión 3D, con todas las piezas, rodilla, pie, etc.Esto se desarrolló por un fabricante de prótesis que personaliza las cubiertas que rodean las prótesis de piernas [2].

En el 2009, las Industrias de MakerBot, una compañía del hardware de código abierto para impresoras 3D, comienzan avender equipos del HUM que permiten que compradores hagan sus propias impresoras 3D y sus productos [2].

En 2009, Organovo, una empresa bioprinting con sede en San Diego, crea los primeros vasos sanguíneos [2][4].

En el 2010, los investigadores de Wake Forest imprimen piel directamente en ratos lesionados para ayudar a sanarquemaduras [9] [7]. En este mismo año se imprime hepatocitos sobre colágeno exitosamente por el método de impresiónen 3D por láser [7]. En el 2011, se da el primer servicio de impresión 3D en materiales como el oro y la plata [2]. En el 2011, una compañíaestadounidense funde la impresión de tejidos de pechos con pezones y cubiertas celulares creadas a partir de las célulasdel paciente [6].

En el 2012, médicos e ingenieros imprimen en 3D una prótesis personalizada de mandíbula para una mujer de 83 años, lacual sufre una infección crónica en el hueso. Esta tecnología está siendo explorada para promover el crecimiento el tejidoóseo [2]. Así mismo, se aplica la impresión por inyección para reparar cartílago articular humano [7]. Y en este mismo añose imprime en 3D un hígado artificial usando el sistema de extrusión [7].

En el 2012, una compañía estadounidense ha afirmado que el primer sistema de Bioimpresion 3D está disponiblecomercialmente para la detección de drogas [6].

En el 2013, los investigadores de la Universidad de Princeton trabajan en la construcción de orejas por medio de laBioimpresion 3D [9].

En el 2013, los investigadores de la Universidad de Cornell imprimen en 3D una válvula cardiaca artificial [9].

En el 2014 surgen avances para imprimir piel, combinando Bioimpresion y los conocimientos y habilidades de las célulaspara imprimir piel. Lo cual podría ser un cambio favorable en la vida de aquellas personas con quemaduras [6].

En el 2014, Organovo genera tejidos impresos en 3D para ayudar al desarrollo de medicamentos. "Estamos tratando dehacer algo que es superior a pruebas con animales", dice Keith Murphy, director general de la compañía [9].

En el 2014, se creó el primer exoesqueleto en impresión 3D, el cual fue creado en colaboración con EksoBionics, y fuedemostrado por Amanda Boxtel, que estaba paralizada de la cintura para abajo desde 1992 [5].

En el 2014 se da la fabricación integral de tejidos con vasculatura por medio de la impresión 3D usando una bioimpresoramulti-boquillas [7].

Como se observó, con el paso de los años, la Bioimpresion 3D ha logrado generar desarrollos significativos, los cualessiguen hoy en día y seguirán para en un futuro logar altos objetivos y asi ayudar a obtener avances en torno a la ciencia y ala tecnología.

III. TÉCNICAS DE LA BIOIMPRESIÓN 3D

La Bioimpresión es un proceso de construcción capa por capa de materiales vivos y no vivos, basados en un diseño porcomputador para producir estructuras de bioingeniería para prestar un servicio a la medicina regenerativa y algunosestudios biológicos [7].

El proceso de Bioimpresión de puede dividir en tres pasos:



Diagrama 1. Proceso de Bioimpresión [7] [10].

Las técnicas de impresión actualmente más conocidas son la de inyección de tinta, tecnología láser, extrusión yestereolitografía. Cada técnica tiene sus ventajas y desventajas, las cuales se muestran en la siguiente tabla.

Tabla 1. Comparación de técnicas comunes de Bioimpresión [10].

A. Bioimpresión a base de inyección de tinta:

Esta fue la primera técnica de bioimpresión, siendo muy similar a la impresión 2D convencional. Se cuenta con uncartucho, el cual contiene una biotinta que es una solución de un hidrogel y células encapsuladas, este cartucho seencuentra conectado al cabezal de impresión, los cuales son deformados por un actuador térmico o piezoeléctrico paragenerar gotas de un tamaño controlable, como se ilustra en la imagen [11].



Figura 1. Bioimpresión a base de inyección de tinta. Descripción: Las bioimpresoras de inyección de tinta expulsan pequeñas gotasde células e hidrogel secuencialmente con ayuda de un actuador térmico o piezoeléctrico para construir tejidos[10].

Las ventajas de esta técnica es el costo de la misma, debido a que el mecanismo es similar al de las impresorasconvencionales, por otro lado, tiene alta velocidad de impresión debido a la capacidad de los cabezales para soportar lascargas paralelas, además tiene alta viabilidad celular, entre el 80-90% [8].

Por otro lado, una de las desventajas de la técnica es el hecho de que no soporta biotintas con alta viscosidad, es decirmayor a 15 mPa/s y tampoco funciona bien con biotintas de alta densidad celular, es decir mayor a 1x10 6 células/mL. Estose debe principalmente a que la boquilla se atasca con la biotinta. Otra de las desventajas es el efecto de sedimentación, labiotinta recién cargada se encuentra bien mezclada, pero durante el proceso de impresión las células empiezan a quedarseen el cartucho y no salen por la boquilla.

B. Bioimpresión basado en tecnología láser:

Esta técnica surge de la técnica de láser directo de escritura y la técnica de transferencia por láser inducido. La técnica sebasa en una capa donante que responde a la estimulación láser, esta capa tiene una cinta en la parte superior que contieneuna capa de absorción de energía y en la parte inferior tiene la capa de biotinta suspendida. Durante la impresión, el pulsodel láser se enfoca a estimular un área de la capa de absorción, esto genera que una porción de la capa donante sevaporice, generando una burbuja de alta presión en la interface de la capa de biotinta y propulsando la misma a la placa deimpresión para colectarse y entrecruzarse, como se observa en la imagen siguiente [12].

Figura 2. Bioimpresión basado en tecnología láser. Descripción: Estas bioimpresoras utilizan un láser para vaporizar una región en lacapa donante, la cual se encuentra en la parte superior, formando una burbuja que impulsa a la biotinta a caer sobre el sustrato [10].

Una de las ventajas de la técnica en comparación con la técnica de inyección de tinta, es que la impresión permite evadircontacto directo entre la biotinta y el dispensador, lo cual evita el estrés mecánico de las células, mejorando su viabilidadcelular siendo mayor al 95%. Además, la técnica permite utilizar diferentes tipos de biotintas, debido a que no tienelimitaciones de viscosidad. Esta técnica es prometedora, pero aún no se conocen los efectos secundarios de la exposiciónde las células al láser[11].



Una de las desventajas claras de la técnica es que es muy costosa, debido a que los láser de alta resolución e intensidadson costosos comparados con los métodos de impresión con aguja, además, el control del sistema de impresión con láseres más complejo[10].

C. Bioimpresión basado en extrusión:

Esta tecnología es de las más comunes para impresiones 3D no biológicas, pero actualmente la técnica se ha venidoampliando para así cubrir campos de la bioingeniería, como la medicina regenerativa y el diseño de andamios, esta técnicaes una modificación de la impresora de sistema de inyección.

El mecanismo de acción consiste en un mecanismo neumático o mecánico como un pistón o tornillo mecánico. Paraextruir el filamento si aplica sobre la biotinta un sistema continuo de presión, esta presión genera una línea continua dematerial y no gotas del mismo, como se muestra en la siguiente imagen [13].

Figura 3. Bioimpresión basado en extrusión. Descripción: Las bioimpresoras de extrusión utilizan neumáticos o fuerza manual paraextruir de forma continua una solución líquida de células-hidrogel [10].

Una de las ventajas de la técnica se basa en la posibilidad de imprimir gran cantidad de tipos de biotintas, con altadensidad celular y un costo razonable. Actualmente, la mayoría de las bioimpresoras comerciales cuentan con esta técnicade bioimpresión. Asimismo, tiene compatibilidad con sistemas de entrecruzamiento químico, térmico y con luz.Igualmente, tiene versatilidad de extrusores y cartuchos debido a que se pueden acoplar varios de estos, con diferentestipos de biotintas [10].

Por otro lado, una de las desventajas es la alta exposición de las células al largo tiempo de estrés mecánico, lo cualdisminuye la viabilidad celular.

D. Estereolitografía:

Esta técnica fue modificada para bioimpresión 3D. La técnica utiliza luz para solidificar la biotinta capa por capa paraconstruir objetos o andamios, como se observa en la imagen [10].

Figura 4. Bioimpresión basado en estereolitografía. Descripción: Estas bioimpresoras utilizan un proyector de luz para entrecruzarplano por plano las biotintas [10].



Está técnica cuenta con gran cantidad de ventajas a los métodos tradicionales de impresión. En primer lugar, no importa lacomplejidad del patrón de cada capa, además el tiempo de impresión es similar al de las otras técnicas, debido a que todoel patrón es proyectado en el plano de impresión. En segundo lugar, la técnica permite que la fase móvil se muevaúnicamente en dirección vertical, simplificando el control del sistema [7].

La técnica puede alcanzar una resolución de 100µm y puede llegar a imprimir diseños complejos en menos de 1 hora,manteniendo alta viabilidad celular sineo mayos a 90%.

Recientemente, se comercializó un proyector de luz asequible al público general, teniendo un costo menor a los $1000US. Imprimiendo patrones de hidrogeles de resolución de 50µm [10].

IV. BIOMATERIALES MÁS UTILIZADOS EN LA BIOIMPRESIÓN 3D.

El desarrollo de biomateriales se considera como uno de los aspectos más provocativos de Bioimpresión y más aún lainclusión de células dentro de biomateriales lo cual se conoce como “Bioink”. El desarrollo de estos crean los avancespara la construcción de tejidos biologicos en 3D [7]. Para ello, se necesita que estos biomateriales y bioink presentenpropiedades biológicas, físicas y mecánicas para generar una respuesta acorde al sistema y para un buen proceso deimpresión [7].

Los siguientes son los biomateriales más utilizados en aplicaciones de Bioimpresion 3D para regeneración ósea.

1. Hidrogeles: Son usados en ingeniería tisular y en el campo de los biomateriales debido a que estos contienen unalta funcionalidad con el sistema biológico, pues, gracias a su hidrofilicidad, el cual es un factor que determina sualta biocompatibilidad, genera un suporte en 3D mecánico alto y pueden proporcionar que las células en suinterior tenga un entorno similar al de muchos tejidos naturales. Varios tipos de células logran tener un eficientecomportamiento cuando están en los hidrogeles, algunas como fibroblastos, condrocitos, hepatocitos, célulasmusculares, adipocitos y células madres [7].

Los hidrogeles se clasifican en derivados de polímeros como alginatos, colágeno, quitosano, fibrina, o polímerossintéticos como polietilenglicol. Por otra parte, gracias a su comportamiento como un gel presenta altas ventajasen el uso en Bioimpresión 3D [7].

2. Colágeno: Es una de las proteínas más abundantes en la naturaleza y es el responsable de mantener la integridadestructural de los tejidos[14].

El colágeno es el material más utilizado en aplicaciones con células ya que es el componente más abundante en lamatriz extracelular, este material se utiliza como andamio para ayudar a la regeneración del hueso y el cartílago.Las fibras de colágeno, tiene importantes secuencias conformados por aminoácidos como la arginina, glicina,acido aspártico, las cuales permiten que las células puedan adherirse y proliferar. Las matrices de colágeno sonmuy útiles y han producido varios avances biologicos importante, sin embargo, una matriz conformada por 100%de colágeno no es complemente óptima [15].

Las fibras de colágeno son péptidos hidrofóbicos, asi que cuando se utilicen como matrices o implantes van apoder excluir el agua y se genera que exista una disminución en la difusión de nutrientes produciendo la muertecelular, a pesar de esto, el colágeno es el material más utilizado al ser combinado con otros materiales conmayores propiedades en la Bioimpresion 3D [15].

Gelatina: La gelatina es una mezcla de secuencias de péptidos derivados del colágeno que ha sufrido hidrólisisparcial. A diferencia de colágeno nativo, este producto puede ser disuelto en soluciones acuosas neutras de pH,manteniendo la capacidad de formación de geles simples, cuando las soluciones son llevadas a las bajas



temperaturas a través del entrecruzamiento hidrofóbico. Sin embargo, la temperatura de fusión de la gelatina seencuentra entre los 30 y 35 °C produciendo un limitante para aplicaciones fisiológicas, para solucionar esteproblema la gelatina se combina con otras proteínas o polímeros que permitan aplicaciones en los seres vivos[15].

Para su uso en Bioimpresión, la gelatina ha sido empleada, ya que, presenta ventajas como su sensibilidad a latemperatura lo cual facilita su extrusión y gracias a la presencia de enlaces covalentes en los grupos funcionalesinduce métodos de entrecruzamiento [15].

1. Alginato: Es un polisacárido natural que se deriva de las algas. Ha sido ampliamente usado en aplicaciones comomedicina regenerativa debido a la facilidad de formar un hidrogel a través de un intercambio iónico instantáneodel calcio de sodio. Esto ha generado que el alginato sea un material de elección para hacer microencapsulamientos de células, en el que el alginato de sodio, sin modificar, se organiza en micro esferas delhidrogel de alginato de calcio mediante interacciones iónicas y con ayuda de agentes reticulante como el CaCl 2

[15].

Gracias a la facilidad con la que el alginato puede formar geles se convierte en una elección efectiva paraencapsular células y si se utiliza de la misma forma en cuanto al mecanismo de entrecruzamiento presenta altopotencial para ser utilizado en Bioimpresion 3D[15].

2. Fibrina: Es un material de origen natural, compuesto por monómeros de fibrinógeno que se unen medianteentrecruzamiento químico. Los geles de fibrina menos concentrados se han utilizado para aplicaciones demedicina regenerativa debido a su rápida reticulación y sus propiedades mecánicas robustas[15].

Gracias a aquellas propiedades la fibrina es utiliza en Bioimpresión 3D al ser combinada con otros materialescomo el colágeno[15].

3. Hidroxiapatita (HA): Su fórmula química es (Ca10(PO4)6(OH)2) y es un mineral conformado por fosfato decalcio, es el principal componente inorgánico del hueso de los vertebrados; también encontrada en la dentina y elesmalte dental, la cual puede ser obtenida sintéticamente. La biocompatibilidad de la HA sintética ha sidosugerida no solo por su composición sino por los resultados obtenidos en su implantación in vivo, los cuales handemostrado ausencia de toxicidad local o sistémica, sin provocar inflamación o respuesta a un cuerpo extraño [16][17].

Esta ha sido utilizada para aplicaciones biomédicas, en especial para la regeneración de tejido óseo. Para lograrimplementarla en Bioimpresión 3D, se requiere que su presentación sea un polvo y este se deberá disolver en unlíquido aglutinante, algunos de los que se utilizan son la policaprolactona (PCL), lo cual va a permitir unión entrelas partículas. En particular para los andamios de hidroxiapatita esas piezas deben tener una elevada porosidad(40-80%) [16][17].

4. Policaprolactona (PLA): Es material de polímero sintético, específicamente un poliéster, el cual se empleadacomúnmente en Bioimpresion 3D como andamio, debido a su capacidad de biodegradación y su temperatura defusión que es por debajo de 60 °C lo cual permite que sea de uso fácil en la Bioimpresion, además, con estematerial la impresión 3D es de alta resolución y se enfría rápidamente para lograr formar estructuras [15].

Este material se utiliza en aplicaciones para la regeneración de tejido, sin embargo, como carece de secuenciaspeptídicas naturales no proporciona sitios específicos de unión con las células, por ello, este material se debecombinar con otros materiales como la hidrogeles, colágeno o quitosano [15].

5. Quitosano: Es un polisacárido lineal, compuesto por cadenas distribuidas de D-glucosamina y de N-acetil-D-glucosamina. Es un material bioadhesivo, biocompatible y biodegradable[14].



Sus propiedades le permiten aplicaciones en encapsulación de células, cultivo celular, reparación de cartílago yreconstrucción de huesos. Sin embargo, su baja porosidad se opone a cualquier transferencia física (migración) delas células vivas a lo largo de su estructura, para ello, se necesita combinar con otro tipo de biomaterial[14]. Suuso en Bioimpresion 3D ha tenido una gran cantidad de estudios, con estos se podrían imprimir estructuras paraamplias aplicaciones en biomédica, sin embargo, debido a su composición es un material que ha presentadociertas complicados en cuanto a la impresión por extrusión. Esta limitante se puede mejorar con la combinacióndel quitosano con otros materiales como la formación de hidrogeles con colágeno [18].

V. MATERIALES QUE PERMITEN EL ENTRECRUZAMIENTO Tabla 2. Materiales para entrecruzar el Colágeno e HA.

Colágeno [19] [20].Material Características Metodología

1-etil-3- (3-dimetilaminopropil) carbodiimida(EDC):

Pierde estructuraporosa.

5% p/v en etanola 37°C, 7 días.Luego seenjuagan enPBS (Optimizalas condicionesdelentrecruzamiento ) 0.1 M (pH7.4) 3 veces, y sealmacena a 37°C1 día.

1,4-butanedioldiglicidil éter(BDDE)

Tiene mayorbiocompatibilidad y genera mejorsoporte para laadhesión decélulas. Ademáspreserva lamorfología delcolágeno.

“Dehydrothermaltreatment” (DHT),

Permiteentrecruzamientoen andamiosconformados porcolágeno,generan unmódulo deelasticidadsimilar a laproducida poragentes dereticulaciónquímica talescomoglutaraldehido(GTA) pero sintoxicidad ypreocupacionesinmunogénicas.

Se caliente a105°C a 1kPadurante 6 horas,y se mantiene en105°C por 24horas.

HA con gelatina o Colágeno [21] [22][23].

N-(3dimetilaminopropil) -N-

Son agentesreticulantesquímicamente.

Para mejorar laresistenciamecánica del



etilcarbodiimida(1).

No son tóxicos ysonbiocompatibles.

colágeno,los andamiosliofilizadas seentrecruzaronquímicamenteusando40 mM (1) y20 mM (NHS)durante 24 h.

N-hidroxi-succinimida (NHS):Componenteorgánico.

Tabla 3. Materiales para entrecruzar el Colágeno, gelatina e HA.HAp con gelatina o Colágeno [24].

Material CaracterísticasSiloxano. Presenta baja toxicidad, alta

biocompatibilidad yBiodegradabilidad. Se Utiliza en aplicaciones pararegeneración ósea. Ya que, seha considerado como agentede reticulación potencialmenteeficaz.

bis [3-(trimetoxisilil) propil] –etilendiamina.

Empleado para mejorar laresistencia a la tracción,resistencia a la flexión,resistencia a la compresión y elmódulo de materialescompuestos.

Tabla 4.Materiales para entrecruzar el Colágeno, gelatina, proteínas y Quitosano.Colágeno, Gelatina, proteínas, Quitosano[25].Material Característica

sMetodología

Genipin(GP): Esuncompontequímicoencontradoen elextracto deGardenia.(flor)

Presenta bajatoxicidad,genera altaestabilidad delos andamios,así como laspropiedadesmecánicas de lacompresión.

2,5% p/pdisuelto en500µL deetanol. Lasoluciónresultante semantuvo bajoagitación a 50◦C durante 30min.

Tabla 5.Materiales para entrecruzar hidrogeles de alginato con colágeno. Hidrogeles de alginato con colágeno [26][27].Materia

lCaracterística

sMetodología



CaCl2 Agentereticulante,proporcionaestabilidad.Presentapropiedades yresultadossimilares con elglutaraldehidopero el CaCl2

es másutilizado enaplicacionesbiomédicas yaque no generatoxicidad.

Al hidrogel dealginato/colágeno se le coloco300nM de CaCl2

durante 5minutos.

Tabla 6. Entrecruzamiento por Luz Ultravioleta.Colágeno: Entrecruzamiento por Luz Ultravioleta(UV) [28][29][30].

Material MetodologíaSulfato ferroso YCromo III: Agentereticulante. Genera unaalta estabilidad alcolágeno con respectoa la UV.

Al utilizar el sulfatoferroso o el cromo IIIcon UV, disminuye losefectos que producenUV directa en elcolágeno.

UV puede generarefectos segundarioscomo cambios en laestructura del colágenoa largos tiempos.

Se utiliza el sulfato ferroso enla proporción molar decolágeno: Fe a 1: 100 y seincuba a temperatura ambiente.Durante la noche.El tratamiento de cromo serealizó utilizando el cromo (III)de sal, sulfato básico de cromo(solución 1%) durante 24 horasa pH 4,0 a 25 ° C.Las soluciones se irradiaron atemperatura ambiente, usandoun foto reactor con lámpara demercurio a 250W, que emite luza 330nm. Los experimentos deirradiación se llevaron a caboen una cubeta de cuarzo a unadistancia de 20 cm desde lafuente de luz para diferentesintervalos de tiempo (3minutos). Todas las medicionesse realizaron en las mismascondiciones de temperaturapara evitar cualquier influenciasobre las propiedades físico-químicas del colágeno.



VI. APLICACIONES

Las aplicaciones de bioimpresión en los últimos años se han ampliado debido a la creciente tecnología e investigación delos biomateriales, biotintas y técnicas de bioimpresión a utilizar.

A continuación, se muestra una línea del tiempo de los aspectos importantes para el desarrollo y evolución de labioimpresión desde 1996 hasta el 2014, destacando que el trabajo en regeneración de tejido no es un trabajo nuevo en elmundo, sino que surgió hace ya algún tiempo atrás, como se muestra en la tabla.

Tabla 7. Línea del tiempo de la evolución de la bioimpresión[7].

Entre las aplicaciones más comunes actualmente, se encuentran los vasos, el hueso y cartílago, tejido neuronal yconstrucción de sistemas para prueba de fármacos.

A continuación, se presenta una tabla que relaciona las aplicaciones, con sus materiales y fuente de las células.

Tabla 8. Ejemplos de bioimpresión de tejidos y órganos [10].



VII. LIMITACIONES DE LA BIOIMPRESIÓN 3D

VIII. CONCLUSIONES

IX. REFERENCIAS

[1] E. Seedhouse, Beyond Human: Engineering Our Future Evolution. 2014.

[2] T.Rowe Price, “A brief history of 3D printing,” Troweprice.Com, p. 2011, 2012.

[3] Science, “The Amazing History And Future Of Bioprinting [Infographic],” Science, 2012. [Online]. Available: http://www.webpronews.com/the-amazing-history-and-future-of-bioprinting-infographic-2012-07/.

[4] W. HARRIS, “The 3-D History of Bioprinting,” HEALTH. [Online]. Available: http://health.howstuffworks.com/medicine/modern-technology/3-d-bioprinting1.htm.

[5] C. McLellan, “The history of 3D printing: A timeline,” 2014. [Online]. Available: http://www.zdnet.com/article/the-history-of-3d-printing-a-timeline/.

[6] A. Nicole, “Bioprinting,” Timeline. [Online]. Available: http://media.timetoast.com/timelines/bioprinting.

[7] A. B. Dababneh and I. T. Ozbolat, “Bioprinting Technology: A Current State-of-the-Art Review,” J. Manuf. Sci. Eng., vol. 136, no. 6, p. 061016, 2014.

[8] L. Evans, “Bioprinting: the past, present and future,” 2013. [Online]. Available: http://www.pdmodels.co.uk/en/blog/3dprinting/biopr.

[9] M. Davenport, “Print Your Heart Out,” Life Sciences & Laboratory Worlds, 2015. [Online]. Available: http://cen.acs.org/articles/93/i10/bioprinting.html.

[10] C. Mandrycky, Z. Wang, K. Kim, and D. H. Kim, “3D bioprinting for engineering complex tissues,” Biotechnol. Adv., pp. 1–13, 2015.



[11] D. Although, “Bioprinting Techniques,” in Bioprinting: Principles and Applications, World Scientific, 2015, pp. 63–116.

[12] I. T. Ozbolat, 3D Bioprinting: Fundementals, Principles and Applications. Elsevier Science, 2016.

[13] V. K. Lee, A. Dias, M. S. Ozturk, K. Chen, B. Tricomi, D. T. Corr, X. Intes, and G. Dai, “Bioprinting in Regenerative Medicine,” in Bioprinting in Regenerative Medicine, Ontario: Humana Press, 2015, pp. 33–43.

[14] A. C. Colorado, C. A. Agudelo, and M. E. Moncada A, “Análisis de biomateriales para uso en ingeniería de tejido de piel : revisión,” Rev. Ing. Biomédica, vol. 7, no. 14, pp. 11–23, 2013.

[15] A. Skardal and A. Atala, “Biomaterials for Integration with 3-D Bioprinting,” Ann. Biomed. Eng., vol. 43, no. 3, pp. 730–746, 2015.

[16] X. Li, R. Cui, L. Sun, K. E. Aifantis, Y. Fan, Q. Feng, F. Cui, and F. Watari, “3D-Printed Biopolymers for Tissue Engineering Application,” vol. 2014, 2014.

[17] M. C. F. Alejandro C. Rios, Dachamir Hotza, Gean V. Salmoria, “FABRICACIÓN DE ANDAMIOS DE HIDROXIAPATITA POR IMPRESIÓN TRIDIMENSIONAL,” Rev. Lat. Met. Mat., vol. 34, no. 2, pp. 262–274, 2014.

[18] V. Mironov, V. Kasyanov, C. Drake, and R. R. Markwald, “Organ printing: promises and challenges.,” Regen. Med., vol. 3, no.1, pp. 93–103, 2008.

[19] A. Fiorani, C. Gualandi, S. Panseri, M. Montesi, M. Marcacci, M. L. Focarete, and A. Bigi, “Comparative performance of collagen nanofibers electrospun from different solvents and stabilized by different crosslinkers,” J. Mater. Sci. Mater. Med., vol. 25, no. 10, pp. 2313–2321, 2014.

[20] R. J. Kane and R. K. Roeder, “Effects of hydroxyapatite reinforcement on the architecture and mechanical properties of freeze-dried collagen scaffolds,” J. Mech. Behav. Biomed. Mater., vol. 7, pp. 41–49, 2012.

[21] M. C. Chang and W. H. Douglas, “Cross-linkage of hydroxyapatite/gelatin nanocomposite using imide-based zero-length cross-linker,” J. Mater. Sci. Mater. Med., vol. 18, no. 10, pp. 2045–2051, 2007.

[22] B. Antebi, X. Cheng, J. N. Harris, L. B. Gower, X.-D. Chen, and J. Ling, “Biomimetic collagen-hydroxyapatite composite fabricated via a novel perfusion-flow mineralization technique.,” Tissue Eng. Part C. Methods, vol. 19, no. 7, pp. 487–96, 2013.

[23] S. Teixeira, L. Yang, P. J. Dijkstra, M. P. Ferraz, and F. J. Monteiro, “Heparinized hydroxyapatite/collagen three-dimensional scaffolds for tissue engineering,” J. Mater. Sci. Mater. Med., vol. 21, no. 8, pp. 2385–2392, 2010.

[24] C. K. Chiu, J. Ferreira, T. J. M. Luo, H. Geng, F. C. Lin, and C. C. Ko, “Direct scaffolding of biomimetic hydroxyapatite-gelatin nanocomposites using aminosilane cross-linker for bone regeneration,” J. Mater. Sci. Mater. Med., vol. 23, no. 9, pp. 2115–2126, 2012.

[25] C. Tonda-turo, P. Gentile, S. Saracino, V. Chiono, V. K. Nandagiri, and G. Muzio, “Comparative analysis of gelatin scaffolds crosslinked by genipin and silane coupling agent,” Int. J. Biol. Macromol., vol. 49, no. 4, pp. 700–706, 2011.

[26] B. Duan, L. a Hockaday, K. H. Kang, and J. T. Butcher, “3D Bioprinting of Heterogeneous Aortic Valve Conduits with Alginate/Gelatin Hydrogels,” vol. 101, no. 5, pp. 1255–1264, 2013.

[27] A. SAARAIa, V. KASPARKOVAb, T. SEDLACEKa, and P. SAHAa, “A Comparative Study of Crosslinked Sodium Alginate/Gelatin Hydrogels for Wound Dressing,” Recent Res. Geogr. Geol. Energy, Environ. Biomed.

[28] N. N. Fathima, J. R. Rao, and B. U. Nair, “Effect of UV irradiation on the physico-chemical properties of iron crosslinked collagen,” J. Photochem. Photobiol. B Biol., vol. 105, no. 3, pp. 203–206, 2011.

[29] N. Teramoto, A. Hayashi, K. Yamanaka, A. Sakiyama, A. Nakano, and M. Shibata, “Preparation and mechanical properties of photo-crosslinked fish gelatin/imogolite nanofiber composite hydrogel,” Materials (Basel)., vol. 5, no. 12, pp. 2573–2585, 2012.

[30] N. N. Fathima, R. Suresh, J. R. Rao, B. U. Nair, and T. Ramasami, “Effect of UV irradiation on stabilized collagen: Role of chromium(III),” Colloids Surfaces B Biointerfaces, vol. 62, no. 1, pp. 11–16, 2008.


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INFORME 1. ESTADO DEL ARTE DE LA BIOIMPRESIÓN 3D