La bioimpresión permite generar estructuras tisulares complejas en tres dimensiones con propiedades biológicas y mecánicas que permitan restaurar la función de un tejido o un órgano dañado, cuya obtención mediante otros métodos de fabricación no es posible. A nivel mundial se están logrando grandes desarrollos constantemente que, más temprano que tarde, impactarán en la calidad de vida de la humanidad. Estos avances serán presentados y discutidos en el encuentro internacional Fronteras en Nanobiotecnología III que se desarrollará entre el 20 y el 22 de julio de 2022.
La impresión tridimensional (3D) tuvo sus orígenes en 1983, cuando el estadounidense Charles W. Hull, más conocido como Chuck Hull, creó la primera pieza impresa en tres dimensiones mediante el proceso llamado estereolitografía. Al año siguiente, patentó la impresión mediante este sistema y en 1986 fundó su propia empresa, 3D Systems, la primera compañía de impresión 3D. Cabe destacar que el bum de la tecnología de impresión 3D se dio 20 años después, cuando la patente de Chuck Hull perdió vigencia y su desarrollo pasó a dominio público para poder ser reproducido y comercializado libremente. Este proceso permitió el desarrollo tecnológico y el avance de la impresión 3D hacia un mejor futuro.
La bioimpresión 3D permite construir estructuras biológicas a partir de materiales llamados biotintas dan lugar a estructuras biológicas con múltiples aplicaciones en la regeneración de tejidos.
En particular, la bioimpresión 3D, a pesar de ser una técnica futurista, comenzó a desarrollarse en la década de 1990, mediante la modificación de una impresora 3D convencional. Como siempre sucede con invenciones tecnológicas de gran impacto, la ciencia suele adaptar nuevas tecnologías para desarrollos de alcance médico y científico con el objetivo de atender problemáticas de nivel mundial. Es así, entonces, como nació la bioimpresora 3D.
Ahora bien, pueden estar preguntándose ¿qué es una bioimpresora 3D? Pues, se trata de la evolución tecnológica de las impresoras 3D convencionales. Es una forma de impresión 3D que consigue construir estructuras biológicas a partir de materiales llamados biotintas. Estas son tintas compuestas por biomateriales, por ejemplo, biopolímeros que, a su vez, se cargan con células las cuales, a través de la impresión, dan lugar a estructuras biológicas con múltiples aplicaciones en la regeneración de tejidos.
Es aquí donde la realidad se vuelve ciencia ficción y superamos todos los límites conocidos. El objetivo principal de la bioimpresión consiste en fabricar estructuras tisulares complejas en tres dimensiones, con propiedades biológicas y mecánicas que permitan restaurar la función de un tejido o un órgano dañado, y que no pueden ser obtenidas por otros métodos.
La imaginación combinada con el conocimiento desempeña un papel crucial aquí, ya que el desarrollo de las bioimpresiones es una tarea multidisciplinaria: la ingeniería, la biología, la medicina, la biotecnología, la farmacia, la bioquímica, la informática, la ingeniería genética y el diseño se juntan para desarrollar diferentes impresiones con diversas funciones.
La realidad se vuelve ciencia ficción. El objetivo principal de la bioimpresión consiste en fabricar estructuras tisulares complejas en tres dimensiones, con propiedades biológicas y mecánicas que permitan restaurar la función de un tejido o un órgano dañado, y que no pueden ser obtenidas por otros métodos.
Las primeras impresiones se llevaron a cabo con distintas soluciones y células, y así fueron creadas las primeras biotintas con el fin de formar tejidos. Posteriormente, en 1996 surgió la idea de bioimpresión 3D de órganos, con los estudios de Gabor Forgacs y Charles Hull. En esos estudios se observó que las partes biológicas presentan propiedades similares, y así permiten que los tejidos biológicos puedan ser impresos en cuestión de segundos.
En los últimos años, la tendencia de la bioimpresión 3D se ha centrado en dos líneas muy definidas. La primera de ellas se basa en hacer andamios permanentes, por ejemplo, prótesis. Entre los diversos estudios se destacan el desarrollo de nuevos filamentos cerámicos con potenciales aplicaciones en ingeniería de tejidos, que se consiguen gracias a las tecnologías de adquisición de imágenes avanzadas; y las nuevas prótesis con sensores y/o actuadores. La segunda línea de investigación trabaja en el desarrollo de andamios biodegradables, cuya finalidad es favorecer la reconstrucción o regeneración de órganos y/o tejidos.
Hasta el momento se ha logrado imprimir algunas partes del cuerpo humano, como huesos, tejido muscular y estructuras cartilaginosas. En este sentido, quizás lo más impresionante sea la bioimpresión de una oreja humana con total precisión. Se preguntarán cómo se logra una estructura de estas características; lo resumiremos de modo breve. Básicamente, el proceso consiste en depositar sucesivas gotitas de tinta biológica que formarán capas aditivas y que, en la superposición, constituirán un tejido biológico en tres dimensiones.
En los últimos años, la tendencia de la bioimpresión 3D se ha centrado en dos líneas muy definidas. La primera se basa en hacer andamios permanentes, por ejemplo, prótesis. La segunda, trabaja en el desarrollo de andamios biodegradables, para favorecer la reconstrucción o regeneración de órganos y/o tejidos.
Para producir la biotinta se puede usar, por ejemplo, las células madre del paciente (se necesitan millones para crear un milímetro cuadrado de tejido). Las células madre están suspendidas junto con un biopolímero específico y biocompatible que puede modificarse según los requerimientos del tejido que se desee imprimir. De esta forma, el soporte en el que se imprime el tejido podría ser una capa delgada de colágeno —la proteína más abundante en el cuerpo humano, responsable de la cohesión del tejido—, lo que podría compararse con el papel de una impresora tradicional. Además de las células y los biomateriales, la biotinta también debe incorporar un espectro de productos bioquímicos —es decir, quimiocinas, factores de crecimiento, factores de adhesión o proteínas de señalización— para promover un entorno de supervivencia, motilidad y diferenciación celular.
Se pueden distinguir tres etapas principales en el proceso de bioimpresión 3D: el tratamiento previo, el procesamiento (impresión) y el procesamiento posterior.
El diseño debe aproximarse a las características de los tejidos originales a los que será destinado el material. Luego está el diseño por computadora del modelo que definirá cómo se imprimirán las células capa por capa de acuerdo con las características expresadas en el primer paso. Este paso se combina con el segundo paso, que consiste en programar la impresora a través de un software especializado que traducirá las acciones en el lenguaje de la misma. El último paso es la maduración de los tejidos estampados. Esta es la fase en que las células ensambladas evolucionarán e interactuarán para formar un tejido coherente, viable y funcional.
Durante el proceso de postimpresión se debe brindar el entorno propicio, mediante el aporte de los nutrientes necesarios para que el tejido prospere, experimente una rápida maduración, incluido el desarrollo de una vascularización e inervación multinivel, con aumento de la resistencia y la integridad mecánica para su posterior trasplante. Entonces, colocados en una incubadora, los tejidos se desarrollan hasta formar un tejido coherente. Esta fase comienza aproximadamente 48 horas después de la impresión y puede durar varias semanas dependiendo del tamaño del tejido bioimpreso.
A nivel mundial se están logrando grandes avances constantemente. Día tras día, esta increíble tecnología está aportando a la sociedad nuevos desarrollos que, más temprano que tarde, impactarán en la calidad de vida de la humanidad.
En resumen, la bioimpresión tridimensional es una de las tecnologías más utilizadas actualmente debido a que las técnicas apuntan al uso de materiales que resulten biocompatibles con células y diferentes componentes celulares que favorezcan la restauración de tejidos. El proceso de bioimpresión permite la fabricación de construcciones 3D con geometrías programadas previamente y estructuras que contienen biomateriales y/o células. Al ser un componente esencial del proceso, la selección de la biotinta requiere analizar distintos factores, como el tejido destinatario, el tipo de célula con que interactuará y también la bioimpresora que se utilizará. En los últimos años, el desarrollo y la caracterización de nuevas biotintas generó gran atención, principalmente debido a la falta de materiales adecuados para la bioimpresión. Este tema fue considerado como uno de los principales inconvenientes que limitó sustancialmente el progreso en el campo.
A nivel mundial se están logrando grandes avances constantemente. Día tras día, esta increíble tecnología está aportando a la sociedad nuevos desarrollos que, más temprano que tarde, impactarán en la calidad de vida de la humanidad.
Sofía Municoy es investigadora asistente del CONICET y docente de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad de Buenos Aires. Sus trabajos combinan el desarrollo, estructuración y funcionalización de nuevos bio- y nanomateriales para la reparación tisular.
Martín F. Desimone es investigador principal del CONICET y profesor titular de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad de Buenos Aires. Se especializa en el desarrollo de materiales híbridos orgánicos, inorgánicos y biológicos y el estudio de las interacciones en la nano-microescala para aplicaciones analíticas, biomédicas y biotecnológicas.
Los autores son miembros de la Cátedra de Química Analítica Instrumental de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la UBA.
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