Nuestros cuerpos se están rompiendo constantemente. Con el tiempo, sus mecanismos de reparación incorporados también fallan. El cartílago de la rodilla se mueve. Las articulaciones de la cadera ya no soportan el peso. Los tratamientos para el cáncer de mama y otros problemas de salud requieren la eliminación de la cirugía. Debido a que el cuerpo no puede regenerar esos tejidos, la reconstrucción usando biomateriales es a menudo la única forma.
Tradicionalmente, este tipo de restauración implica implantes mamarios de talla única o articulaciones de cadera. Más recientemente, los tejidos bioprimidos 3D han comenzado a adaptarse para los pacientes. Pero estos tejidos artificiales se imprimen fuera del cuerpo, y aún requieren cirugías adicionales para implantar, lo que aumenta las posibilidades de cicatrices, inflamación o infección, y el aumento del tiempo de curación.
Este mes, un equipo del Instituto de Tecnología de California presentó un sistema A los tejidos de impresión 3D dentro del cuerpo, no se necesita cirugía. Doblada la impresión de sonido in vivo (DISP) de tejido profundo, el sistema utiliza un bioink inyectable que es líquido a temperatura corporal pero se solidifica en estructuras cuando se explota con ultrasonido. Una molécula de monitoreo, también smart al ultrasonido, rastrea la impresión de tejidos en tiempo actual. El exceso de bioink es descompuesto de forma segura por el cuerpo.
En las pruebas, el equipo 3D imprimió los tejidos dentro del estómago de un conejo y la vejiga del ratón. También agregaron nanopartículas conductoras para hacer biosensores blandos y depósitos de medicamentos, medicamentos antibarradores o medicamentos antibacterianos, que liberaron sus cargas útiles cuando se golpean con ultrasonido.
“Este trabajo realmente ha ampliado el alcance de la impresión basada en ultrasonido y ha mostrado su capacidad de traducción”, Yu Shrike Zhang de la Facultad de Medicina de Harvard, que no participó en la investigación, dijo IEEE Spectrum. “Es bastante emocionante”.
De la luz al sonido
Gracias a su versatilidad, la impresión 3D ha capturado la imaginación de los bioingenedores. La tecnología se puede utilizar para hacer tejidos biológicos artificiales, órganos o dispositivos médicos.
Los bioprainters generalmente depositan una capa a la vez. Cada capa se solidifica usando la luz, luego la siguiente capa se coloca encima. Este proceso de capa por capa lleva tiempo. Más recientemente, un método actualizado llamado impresión volumétrica solidifica estructuras 3D con una sola explosión de luz cuidadosamente adaptada. El enfoque es más rápido pero también limitado por cuán profundamente ligero puede perforar los tejidos.
La luz infrarroja, por ejemplo, puede dar forma a los implantes bajo una capa delgada de piel y músculo, Xiao Kuang en la Universidad de Wisconsin -Madison, que no participó en el estudio, escribió en Ciencia. Pero la luz se atenúa y se dispersa cuanto más profundice dentro del cuerpo. Esto limita la “impresión directa de implantes debajo de los tejidos de los milímetros de espesor”, o apenas debajo de la piel.
El ultrasonido, mejor conocido por su uso de embarazos de monitoreo, tiene una ventaja aquí. Puede alcanzar profundamente en órganos, casi ocho pulgadas, sin dañarlos. Los científicos han estado explorando ultrasonido enfocado, que explota una cierta frecuencia de ondas sonoras hacia un tejido, como una forma de monitorear la actividad del cerebro y el músculo.
La ecografía también puede desencadenar reacciones químicas. En 2023, Zhang y sus colegas diseñó una mezcla molecular Apodado “SONO-ANK” que se solidifica cuando se explota con una frecuencia específica de ondas de sonido. El equipo 3D imprimió múltiples formas dentro de la panceta de cerdo aislada, el hígado y los riñones y el daño de los tejidos parcheados en un corazón de cabra.
Pero la tinta period smart al estrés y otras interrupciones en el cuerpo, lo que resultó en una impresión más lenta y una resolución deficiente. Las ondas de sonido también generan calor, lo que endureció parte del sono-tink antes de que hubiera formado las estructuras previstas. Además, otras moléculas en la tinta y los picos de calor locales a través de los tejidos aumentaron el riesgo de biocompatibilidad.
“La impresión 3D de ultrasonido dentro de un cuerpo es más desafiante de lo que parece”, escribió Kuang.
Una nueva tinta
El nuevo sistema se basa en SONO-ANK actualizado.
La tinta tiene múltiples componentes combinados en una sola mezcla. Primero están las cadenas de moléculas que normalmente flotan libremente pero se entienden cuando se les da una señal molecular. Estos están acompañados de burbujas grasas llenas de moléculas de aglutinante, la señal molecular, que liberan sus cargas útiles cuando se exponen a ultrasonido. Un componente encapsulado closing incluye múltiples productos químicos que dispersan las ondas de sonido y se iluminan cuando ciertas ondas sonoras golpean. Estos ayudan al equipo a visualizar la ubicación de la tinta y a determinar si se forma la estructura deseada.
La nueva configuración “evitó las reacciones químicas prematuras a la temperatura corporal y proporcionó un mejor management del proceso de impresión”, escribió Kuang.
La tinta se inyecta al sitio de destino o se traslada allí con catéteres. Para probar el enfoque, el equipo 3D se imprimió: estrellas, piñones, lágrimas y redes) en una variedad de tejidos, como chuletas de cerdo gruesas y pollo.
En comparación con los métodos previos basados en la luz que solo alcanzaron los tejidos grasos, la nueva tecnología se convirtió en músculos y activó con mayor precisión el bioink para formar formas. El sistema funciona a aproximadamente 40 milímetros por segundo, la velocidad promedio de una impresora de inyección de tinta.
Un tratamiento de sonido
En ratones con cáncer de vejiga, el equipo 3D imprimió un tipo de depósito que lentamente liberó medicamentos contra el cáncer para evitar el crecimiento del cáncer. Los medicamentos de cáncer de vejiga de hoy a menudo se eliminan en cuestión de horas. Un parche bioink concentraría los fármacos en el tumor por más tiempo.
En otra prueba, los investigadores imprimieron el tejido synthetic pulgadas debajo de la piel en los músculos y vientres de las piernas de los conejos, mostrando la capacidad de la tecnología para reestructurar los tejidos en animales más grandes.
El bioink también se puede personalizar. Puede incluir nanotubos de carbono, nanocables y otras estructuras biocompatibles para la bioingeniería. En una prueba, el equipo cargó la tinta con nanopartículas conductoras y sensores electrónicos impresos para medir la actividad de los tejidos vivos.
“Esta funcionalidad podría ser útil para las pruebas que monitorean las señales fisiológicas”, escribió Kuang, como las que monitorean la salud del corazón y el músculo.
La tinta es estable durante al menos 450 días y no parece desencadenar respuestas inmunes. El cuerpo elimina el exceso de tinta a través del metabolismo regular o se puede disolver con un tratamiento que normalmente se usa para contrarrestar el envenenamiento pesado.
Todavía hay algunos problemas para planchar. Los tejidos objetivo difieren en profundidad, forma y tamaño, lo que podría alterar cómo el ultrasonido rebota y cura el bioink. Impresión en órganos que se mueven (nuestros pulmones, corazón y estómago) es aún más compleja.
A este respecto, la IA puede ayudar, escribió Kuang. Los algoritmos podrían descifrar los enlaces entre ondas de sonido, temperatura, materiales e interacciones corporales para simular y guiar mejor la impresión. Un controlador basado en IA que combina el monitoreo del proceso en tiempo actual del proceso podría ajustarse rápidamente a los cambios en el estado del cuerpo, por lo que el bioink se solidifica según lo planeado.
Aunque hay un camino por recorrer antes del uso clínico, el equipo cube que su trabajo reciente muestra que la tecnología es lo suficientemente versátil como para ser ampliamente útil.
