¿Qué es la impresión criónica en 3D?

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La tecnología y la medicina avanzan constantemente. Por un lado, la impresión en 3D está revolucionando nuestro proceso de creación. Por otro, la criopreservación a través de temperaturas criónicas podría permitir avances increíbles en el campo de la medicina. Pero la verdadera magia se produce cuando se unen la tecnología y la medicina para crear algo totalmente nuevo. Permítame presentarle: La impresión criónica 3D. 

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Investigación

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La impresión criónica 3D pretende crear hidrogeles congelados mediante la criopreservación para estabilizar el objeto impreso en un estado ideal. Luego, cuando se necesiten, se pueden volver a calentar. Este procedimiento fue publicado por primera vez por el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de California en 2015. Desde entonces se ha utilizado como base para otras publicaciones y otros estudios de investigación.

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El objetivo final es la creación exitosa de órganos y tejidos humanos impresos en 3D totalmente funcionales para su trasplante. Sin embargo, para entender cómo funciona la impresión criónica 3D, primero tenemos que familiarizarnos con las partes individuales de las que se compone.

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Impresión 3D

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Seguro que sabe lo que significa "imprenta". En 1455 Johann Gutenberg creó la primera imprenta conocida. Fue el pistoletazo de salida del renacimiento de la educación al producir libros en masa por primera vez. Antes de este invento, todos los libros tenían que escribirse a mano. Si se quería una segunda copia, había que volver a escribir el mismo libro, algo inconcebible para los estándares actuales. 

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La impresión 3D pretende extender esta revolución más allá del plano bidimensional, haciendo posible imprimir cualquier objeto tridimensional que se nos ocurra. Sin embargo, esto tiene sus limitaciones, que impiden que las impresoras 3D se utilicen en la producción en masa. En cambio, actualmente se utilizan para imprimir objetos específicos y difíciles de fabricar, como prototipos de diseño. También pueden imprimir productos finales como joyas, herramientas, juguetes, artículos novedosos o incluso prótesis. 

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La impresión 3D es un proceso aditivo. Esto significa que, a diferencia de la talla en madera o la mayoría de los trabajos en metal, el objeto deseado se construye desde cero y no se talla a partir de un objeto existente. Se utilizan programas informáticos para indicar a la impresora lo que debe imprimir. Con ellos, los diseñadores pueden crear modelos digitales en 3D, o modelos CAD, que luego se envían a la impresora 3D para que se encargue de la producción. Autodesk Fusion 360, Autodesk AutoCAD, Ultimaker Cura, TinkerCAD y SketchUp son algunos de los programas más utilizados actualmente. Existen diferentes tipos de impresoras 3D, que utilizan diferentes métodos (y materiales) para crear el objeto 3D. Si quiere un resumen de lo que hay en el mercado, eche un vistazo a este vídeo. 

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Bioimpresión

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La bioimpresión es una subcategoría de la impresión 3D que utiliza materiales biológicos como células o biomateriales para fabricar piezas biomédicas. A diferencia del material habitual utilizado para la impresión 3D, el plástico o la resina, los componentes biológicos requieren pasos adicionales para conservar su forma (y su función):

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• Previo a la bioimpresión - A diferencia de la impresión 3D normal, construir "lo que queramos" no es el objetivo de la bioimpresión. En su lugar, los científicos intentan replicar la biología humana con la mayor fidelidad posible. Para hacer posible esa visión, primero tienen que obtener una prueba de diagnóstico, también llamada biopsia . Esto se hace mediante tomografía computarizada (TC) y resonancia magnética  (RM). Como las impresoras 3D se limitan a imprimir capa por capa, también hay que hacer una reconstrucción tomográfica de las imágenes resultantes. Cuando las imágenes están listas para ser enviadas a la impresora, se aíslan células específicas, se multiplican y posteriormente se mezclan con un material especial licuado que proporciona nutrientes vitales (por ejemplo, oxígeno) a estas células.

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• Bioimpresión - En el siguiente paso, el cóctel biológico que se ha mezclado se almacena en un cartucho de impresión y se deposita junto con los escaneos médicos del paciente. Este pretejido bioimpreso se introduce en una incubadora y madura lentamente hasta convertirse en un tejido normal.
  
  La bioimpresión suele implicar el uso de andamios biocompatibles, diseñados para mantener las capas individuales en su sitio. Estos son de vital importancia para la ingeniería de tejidos, ya que proporcionan un entorno mecánico y químico adecuado que permite el crecimiento posterior hasta convertirse en un tejido totalmente funcional.
  
  Aunque la producción de tejidos y órganos más pequeños ha demostrado ser un éxito, los órganos más grandes, como hígados y pulmones, fabricados mediante bioimpresión 3D carecen de algunos elementos cruciales. Esto se debe principalmente a las limitaciones de las impresoras 3D actuales. Algunas funciones vitales complejas, como el funcionamiento de los vasos sanguíneos, no poseen la estabilidad o la viabilidad necesarias para ser utilizadas en la medicina aplicada en este momento.

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• Post-Bioimpresión - Para garantizar una estructura estable y funcional para el futuro, es necesario un proceso de posterior a la bioimpresión bien mantenido. Los científicos aplican estímulos mecánicos y químicos a los objetos bioimpresos. Estos envían señales a las células, con el objetivo de controlar el proceso de crecimiento de los tejidos. El tipo y la cantidad de señales enviadas dependen de cada tejido. Los denominados biorreactores pueden transportar nutrientes adicionales, crear entornos especializados, ajustar la presión del aire y muchas otras cosas.

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Impresión criónica 3D

Tomemos todo lo que hemos aprendido hasta ahora y echemos un vistazo a lo que funciona y lo que no.

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Lo que funciona:

• Imprimir objetos 3D con materiales de construcción normales
• Imprimir objetos 3D con materiales biológicos
• Imprimir tejido humano básico
• Imprimir órganos pequeños totalmente funcionales

Lo que no:

• Imprimir órganos grandes totalmente funcionales
• Garantizar la estabilidad durante la impresión de estructuras complejas
• Garantizar la funcionalidad mientras se imprimen estructuras intrincadas

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Si miramos esta lista de control, ya hemos llegado bastante lejos. Sin embargo, los últimos pasos resultan ser un gran obstáculo a superar. Las actuales tecnologías de bioimpresión en 3D carecen de la funcionalidad necesaria para garantizar la estabilidad de formaciones bioimpresas complejas. 

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Pero, ¿acaso no existe un campo científico que se ocupa de la estabilidad y la conservación (o más bien de la criopreservación) de las estructuras? Boris Rubinsky, investigador y profesor de la Universidad de Berkeley, y Michal Adamkiewicz pensaron exactamente lo mismo y se pusieron a experimentar. Su resultado: La llamada impresión criónica 3D.

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En la impresión criónica 3D, el proceso de bioimpresión se lleva a cabo con el objeto impreso en 3D constantemente sumergido en un refrigerante líquido (nitrógeno líquido). Este refrigerante se ajusta para que siempre esté al nivel de la capa más alta de la impresión, lo que permite un proceso de congelación muy preciso. Las temperaturas durante el procedimiento suelen oscilar entre -20°C y -25°C. El gas CO2 se inyecta rápidamente en la cámara, lo que permite alcanzar altas tasas de enfriamiento al inicio del proceso. A continuación, la refrigeración por compresión de vapor (VCR) garantiza la eliminación sostenida del calor durante el resto del procedimiento.

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El resultado final son estructuras bioimpresas totalmente estabilizadas (mediante congelación) que presentan una probabilidad significativamente mayor de mantener una forma viable. Este enfoque ha demostrado ser especialmente eficaz cuando se trata de crear andamios, lo que demuestra el potencial de la criopreservación.

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Conclusión

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La ciencia aún necesita más tiempo para resolver todos los problemas relacionados con la recreación de las funciones biológicas humanas. No obstante, estamos avanzando de forma constante en muchos campos de investigación. Los científicos ya han conseguido trasplantar una vejiga totalmente funcional(hace muchos años) que aún funciona. Algún día podremos imprimirnos nuevos pulmones, un nuevo páncreas o incluso un nuevo corazón cuando sea necesario. La investigación alrededor de la criónica y la criopreservación humana podría ayudarnos a desarrollar la tecnología y alcanzar este objetivo. Y viceversa, los avances en el campo de la bioimpresión podrían permitir el tratamiento de los órganos de los pacientes de Biostasis antes de que sean reanimados en el futuro.

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Los dos campos de la ciencia esperan complementarse mutuamente con estos avances médicos. Si quiere saber más sobre el aspecto de la Biostasis, no dude en programar una llamada con nosotros.

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Fuente: M. Adamkiewicz, B. Rubinsky, Cryogenic 3D printing for tissue engineering, Cryobiology (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.cryobiol.2015.10.152

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