Simulación de tumores mediante impresión 3D
En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología de impresión 3D, esta avanzada tecnología ha ido penetrando poco a poco en el campo médico.
Por ejemplo, en abril nació el primer “corazón completo” impreso en 3D. Se trata de un corazón del tamaño de una cereza con células, vasos sanguíneos, ventrículos y aurículas.
En el pasado se han realizado varios estudios innovadores sobre órganos impresos en 3D:
Para el trasplante de órganos, es de gran importancia resolver la escasez de órganos vivos y reducir el rechazo del receptor.
Entonces, ¿cuánto falta para que los órganos impresos en 3D puedan reemplazar los órganos donados para tratar enfermedades y salvar vidas?
¿Qué es la tecnología de impresión 3D?
“Impresión 3D” es el nombre popular para el proceso de formación de materiales mediante “fabricación aditiva”.
La impresión 3D es diferente a los procesos tradicionales de conformado de materiales. Durante el procesamiento, la calidad del material no se reduce, sino que se mejora. Se forma por la acumulación de materiales “de abajo hacia arriba” y se construye paulatinamente ladrillo a ladrillo como si se construyera una casa.
Todo el proceso se basa en archivos de modelos digitales y está controlado por ordenadores, pudiendo construir estructuras complejas difíciles de fabricar con técnicas tradicionales.
Han pasado más de 30 años desde el nacimiento de la primera impresora 3D comercial del mundo. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la impresión 3D se ha relacionado cada vez más con nuestras vidas.
Las primeras impresiones 3D sólo podían utilizar plástico como "tinta".
Ahora bien, la "tinta" puede ser de plástico, metal, cerámica o incluso células, que se inyectan en el "cartucho" para su funcionamiento.
Según las características del proceso, existen tres tipos principales de tecnología de impresión 3D:
Uno consiste en utilizar haces de alta energía, como láseres y haces de plasma, para imprimir metal, cerámica y Polvo plástico punto a punto, una a una. Las capas se funden y sinterizan para finalmente tomar forma.
Esta tecnología se utiliza principalmente en el campo del procesamiento industrial. Por ejemplo, algunas piezas de aleación de titanio de gran tamaño del avión nacional C919 se imprimieron utilizando esta tecnología.
El segundo método consiste en fundir plástico y otros materiales en una masa fundida fluida mediante calentamiento, o preparar una suspensión fluida, que se extruye desde la punta de la aguja mediante presión y se solidifica en el espacio.
Actualmente, la mayoría de las impresoras 3D de escritorio adoptan esta tecnología. Este proceso se utiliza comúnmente para la impresión de células y órganos.
El tercer método se basa en el principio de fotopolimerización. El uso de láser ultravioleta hará que el líquido de resina fotopolimerizable se solidifique. Debido a la alta precisión de enfoque del láser, este tipo de tecnología suele tener una buena precisión de formado.
¿Cómo imprimir órganos con impresión 3D?
Nuwa creó humanos a partir de arcilla y Nezha Lotus renació. Esta es la imaginación de nuestros antepasados, pero la impresión 3D de células vivas es el verdadero intento.
Los científicos en los campos de los biomateriales y la medicina regenerativa intentan constantemente utilizar la impresión 3D para crear tejidos y órganos que puedan implantarse en el cuerpo humano.
Este es también uno de los campos emergentes más importantes de la impresión 3D, del que se ha hablado con frecuencia en los últimos años.
En 2016, los científicos trasplantaron tejidos impresos en 3D a organismos vivos y demostraron que estos tejidos nacidos de la impresora podían sobrevivir y crecer como tejidos normales.
La mandíbula (izquierda) y la aurícula (derecha) impresas por el Sistema Integrado de Impresión de Tejidos y Órganos (ITOP).
Entonces, ¿cómo se producen estos "tejidos" y "órganos" mediante la impresión 3D?
Primero, necesitamos diseñar un plano de un modelo digital. Las células se extruyen a partir de una suspensión similar a una aguja en una impresora de escritorio común y se construyen capa por capa como una casa para formar una forma predeterminada.
Pero si no hay unión entre las células, colapsarán una vez impresas, por lo que se utiliza una sustancia llamada hidrogel como andamio para ensamblar las células.
Durante el proceso de impresión, los hidrogeles pueden mantener la forma de un tejido u órgano y secuencialmente envolver, unir y apilar células. Los hidrogeles son biodegradables y no tienen toxicidad biológica.
Los tejidos nativos tienen extensas estructuras de conductos para que la sangre y otros fluidos fluyan a través de los tejidos.
Si el tejido u órgano impreso no tiene luz, las células no pueden sobrevivir.
Por lo tanto, se reservan algunas cavidades en el andamio de hidrogel para facilitar la ingesta inicial de alimentos y el metabolismo.
Cuando las células sobreviven y forman una estructura relativamente estable, el armazón de hidrogel se degradará, formando aún más una "cavidad" para el desarrollo y crecimiento de vasos sanguíneos y otros tubos.
Cómo funciona la "impresora 3D biológica". El cartucho se puede llenar con células e hidrogel. Las cavidades en el tejido están disponibles para el desarrollo de vasos sanguíneos. Crédito de la imagen: Hyun-Wook Kang, Sangjin Lee, Inkapko, Carlos Kengla, James Jooo, Anthony Atala. Un sistema de bioimpresión 3D para producir estructuras de tejido a escala humana con integridad estructural. Nature Biotechnology (2016) doi: 10.1038/NBT 3413
De esta manera, el "tanque de tinta" de una típica "impresora 3D biológica" se llenará con "tinta" biológica compuesta de células e hidrogeles”. Durante el proceso de impresión, la “tinta” biológica se apilará capa por capa hasta darle la forma del tejido correspondiente.
¿Cuál es la diferencia entre órganos impresos en 3D y órganos humanos?
Actualmente, los tejidos y órganos producidos mediante impresión 3D en el laboratorio todavía son diferentes o limitados a los órganos humanos en muchos aspectos como el tamaño, la estructura, el tipo de célula, el tiempo de supervivencia celular, etc., por lo que la mayoría Los tejidos y órganos impresos en 3D aún no se han implantado en el cuerpo como órganos trasplantables.
Los órganos obtenidos mediante impresión 3D ya pueden mantener una forma fija y tener funciones orgánicas simples.
Sin embargo, los órganos humanos a menudo están compuestos por una variedad de células diferentes. Varias células o conjuntos de células desempeñan diferentes funciones. Hay una gran cantidad de vasos sanguíneos, nervios, conductos y otras estructuras en los órganos. con las células. Realizar funciones complejas en el cuerpo.
En la actualidad, los tejidos u órganos impresos en 3D a menudo tienen un solo tipo de célula y no tienen una estructura de red compleja. Por lo general, no pueden realizar las funciones complejas de los órganos humanos y solo pueden denominarse "tejidos". como" u "organoide".
Como herramienta para la investigación médica, los órganos impresos en 3D se utilizan en la detección de fármacos y en modelos de tumores.
Para la medicina regenerativa, la impresión 3D utiliza células del receptor, produciendo tejidos y órganos sin rechazo inmunológico, y el tamaño y la función de los tejidos y órganos se pueden personalizar en gran medida.
La impresión 3D de órganos implantables tiene amplias perspectivas en el futuro próximo, lo cual es muy emocionante.