Content
- Medicina transformadora amb impressores 3D
- Com funciona una impressora 3D?
- Fer una orella
- Diferència entre un motlle i un cadafal
- Avantatges potencials de les orelles impreses
- Impressió d'una mandíbula inferior
- Pròtesis i articles implantables
- Més exemples
- La bioimpressió amb cèl·lules vives: un futur possible
- Substitució d’òrgans i teixits
- Alguns èxits de la bioimpressió
- Impressió de parts del cor
- Creació d’una còrnia
- Avantatges de mini òrgans, organoides o òrgans en un xip
- Una estructura que imita el pulmó
- Alguns reptes per a la bioimpressió
- Referències
Linda Crampton va ensenyar ciència i tecnologia de la informació a estudiants de secundària durant molts anys. Li agrada aprendre sobre les noves tecnologies.
Medicina transformadora amb impressores 3D
La impressió 3D és un aspecte apassionant de la tecnologia que té moltes aplicacions útils. Una aplicació fascinant i potencialment molt important de les impressores 3D és la creació de materials que es poden utilitzar en medicina. Aquests materials inclouen dispositius mèdics implantables, parts del cos o pròtesis artificials i instruments mèdics personalitzats. També inclouen taques impreses de teixit humà viu, així com mini òrgans. En el futur, es podran imprimir òrgans implantables.
Les impressores 3D tenen la capacitat d’imprimir objectes sòlids i tridimensionals basats en un model digital emmagatzemat a la memòria d’un ordinador. Un mitjà d’impressió habitual és el plàstic líquid que es solidifica després de la impressió, però hi ha altres suports disponibles. Aquests inclouen metall en pols i "tintes" que contenen cèl·lules vives.
La capacitat de les impressores de produir materials compatibles amb el cos humà millora ràpidament. Alguns dels materials ja s’utilitzen en medicina, mentre que d’altres encara estan en fase experimental. Molts investigadors participen en la investigació. La impressió 3D té un potencial captivador per transformar el tractament mèdic.
Com funciona una impressora 3D?
El primer pas en la creació d’un objecte tridimensional per part d’una impressora és dissenyar l’objecte. Això es fa en un programa CAD (Computer-Aided Design). Un cop acabat el disseny, un altre programa crea instruccions per produir l'objecte en una sèrie de capes. Aquest segon programa de vegades es coneix com a programa de tallat o com a programari de talladora, ja que converteix el codi CAD de tot l'objecte en codi per a una sèrie de talls o capes horitzontals. Les capes poden numerar-se en centenars o fins i tot en milers.
La impressora crea l'objecte dipositant capes de material segons les instruccions del programa de talladora, començant per la part inferior de l'objecte i treballant cap amunt. Les capes successives es fusionen. El procés es coneix com a fabricació additiva.
El filament de plàstic s’utilitza sovint com a mitjà per a la impressió 3D, especialment en impressores orientades al consumidor. La impressora fon el filament i, a continuació, extreu plàstic calent a través d’un broquet. El broquet es mou en totes les dimensions a mesura que allibera el plàstic líquid per crear un objecte. El programa de la talladora controla el moviment del broquet i la quantitat de plàstic que s’extreu. El plàstic calent es solidifica gairebé immediatament després d’alliberar-se del broc. Hi ha altres tipus de suports d'impressió disponibles per a usos especials.
La part de l’orella visible des de l’exterior del cos es coneix com a pinna o aurícula. La resta de l’orella es troba al crani. La funció de la pinna és recollir ones sonores i enviar-les a la següent secció de l’orella.
Fer una orella
El febrer de 2013, científics de la Universitat de Cornell, als Estats Units, van anunciar que havien estat capaços de fer una pinna d’orella amb l’ajut de la impressió 3D. Els passos seguits pels científics de Cornell van ser els següents.
- Es va crear un model d’orella en un programa CAD. Els investigadors van utilitzar fotografies d’orelles reals com a base d’aquest model.
- El model d’orella va ser imprès per una impressora 3D amb plàstic per crear un motlle amb la forma de l’orella.
- Es va col·locar un hidrogel que contenia una proteïna anomenada col·lagen dins del motlle. Un hidrogel és un gel que conté aigua.
- Els condròcits (cèl·lules que produeixen cartílag) s’obtenien de l’orella d’una vaca i s’afegien al col·lagen.
- L'orella de col·lagen es va col·locar en una solució de nutrients en un plat de laboratori. Mentre l’oïda estava a la solució, alguns dels condròcits van substituir el col·lagen.
- Després, l’orella es va implantar a la part posterior d’una rata sota la pell.
- Al cap de tres mesos, el col·lagen de l'orella s'havia substituït completament per cartílag i l'orella havia mantingut la seva forma i distinció de les cèl·lules de rata que l'envoltaven.
Diferència entre un motlle i un cadafal
En el procés de creació d’oïdes descrit anteriorment, l’oïda de plàstic era un motlle inert. La seva única funció era proporcionar la forma correcta a l’oïda. L'oïda de col·lagen que es formava a l'interior del motlle actuava com a bastida per als condròcits. En enginyeria de teixits, un cadafal és un material biocompatible amb una forma específica sobre el qual creixen les cèl·lules. El cadafal no només té la forma correcta, sinó que també té propietats que afavoreixen la vida de les cèl·lules.
Des que es va dur a terme el procés original de creació d’oïdes, els investigadors de Cornell han trobat una manera d’imprimir un cadafal de col·lagen amb la forma correcta necessària per fer una orella, eliminant el requisit d’un motlle de plàstic.
Avantatges potencials de les orelles impreses
Les orelles fetes amb l’ajut d’impressores poden ser útils per a persones que han perdut les seves pròpies orelles a causa de lesions o malalties. També podrien ajudar a les persones que han nascut sense orelles o tenen unes que no s’han desenvolupat correctament.
De moment, les orelles de recanvi de vegades es fabriquen amb cartílag a la costella del pacient. L’obtenció del cartílag és una experiència desagradable per al pacient i pot danyar la costella. A més, és possible que l’orella resultant no sembli molt natural. Les orelles també es fabriquen amb un material artificial, però una vegada més el resultat pot no ser del tot satisfactori. Les orelles impreses tenen el potencial d’assemblar-se més a les orelles naturals i de treballar més eficientment.
Al març de 2013, una empresa anomenada Oxford Performance Materials va informar que havien substituït el 75% del crani d’un home per un crani de polímer imprès. Les impressores 3D també s’utilitzen per fabricar electrodomèstics, com ara pròtesis, audiòfons i implants dentals.
Impressió d'una mandíbula inferior
El febrer de 2012, científics holandesos van informar que havien creat una mandíbula inferior artificial amb una impressora 3D i la van implantar a la cara d’una dona de 83 anys. La mandíbula estava feta de capes de pols de metall de titani fusionades per la calor i estava coberta per un revestiment bioceràmic. Els materials bioceràmics són compatibles amb el teixit humà.
La dona va rebre la mandíbula artificial perquè tenia una infecció òssia crònica a la seva mandíbula inferior. Els metges van considerar que la cirurgia tradicional de reconstrucció facial era massa arriscada per a la dona a causa de la seva edat.
La mandíbula tenia articulacions perquè es pogués moure, així com cavitats per a la fixació muscular i ranures per als vasos sanguinis i els nervis. La dona va poder dir unes paraules tan aviat com es va despertar de l’anestèsic. L’endemà va poder empassar-se. Va marxar a casa després de quatre dies. Està previst que s’implantessin dents falses a la mandíbula més endavant.
Les estructures impreses també s’utilitzen en formació mèdica i en la planificació prequirúrgica. Un model tridimensional creat a partir de les exploracions mèdiques d'un pacient pot ser molt útil per als cirurgians, ja que pot mostrar les condicions específiques a l'interior del cos del pacient. Això pot simplificar la cirurgia complexa.
Pròtesis i articles implantables
La mandíbula metàl·lica descrita anteriorment és un tipus de pròtesi o part del cos artificial. La producció de pròtesis és un àmbit en què les impressores 3D estan prenent importància. Alguns hospitals tenen ara les seves pròpies impressores o estan treballant en col·laboració amb una empresa de subministraments mèdics que tingui una impressora.
La creació d’una pròtesi mitjançant la impressió 3D sol ser un procés més ràpid i econòmic que la creació mitjançant mètodes de fabricació convencionals. A més, és més fàcil crear un ajust personalitzat per a un pacient quan un dispositiu està dissenyat i imprès específicament per a la persona. Les exploracions hospitalàries es poden utilitzar per crear dispositius a mida.
Les extremitats de recanvi sovint s’imprimeixen en 3D avui, almenys en algunes parts del món. Els braços i les mans impreses solen ser bastant més econòmics que els produïts per mètodes convencionals. Una empresa d’impressió 3D treballa amb Walt Disney per crear mans pròtesis colorides i divertides per a nens. A més de crear un producte més barat i més assequible, la iniciativa té com a objectiu "ajudar els nens a veure les seves pròtesis com una font d’excitació més que no pas vergonya o limitació".
Més exemples
- A finals del 2015, les vèrtebres impreses es van col·locar amb èxit en un pacient. Els pacients també han rebut un estèrnum imprès i una caixa toràcica.
- La impressió 3D s’utilitza per produir implants dentals millorats.
- Les articulacions de maluc de recanvi sovint s’imprimeixen.
- Els catèters que s’adaptin a la mida i la forma específiques d’un passatge al cos del pacient aviat podrien ser comuns.
- La impressió 3D sovint participa en la fabricació d’audiòfons.
La bioimpressió amb cèl·lules vives: un futur possible
Avui s’està imprimint amb cèl·lules vives o bioimpressió. És un procés delicat. Les cel·les no s’han d’escalfar massa. La majoria dels mètodes d’impressió 3D comporten altes temperatures, que matarien les cèl·lules. A més, el líquid portador de les cèl·lules no els ha de perjudicar. El líquid i les cèl·lules que conté es coneix com a bio-tinta (o bioink).
Substitució d’òrgans i teixits
La substitució d’òrgans danyats per òrgans fets amb impressores 3D seria una revolució meravellosa en medicina. De moment, no hi ha prou òrgans donats disponibles per a tothom que els necessiti.
El pla és treure cèl·lules del propi cos del pacient per imprimir un òrgan que necessiten. Aquest procés hauria d’evitar el rebuig d’òrgans. Les cèl·lules probablement serien cèl·lules mare, que són cèl·lules no especialitzades que són capaces de produir altres tipus de cèl·lules quan s’estimulen correctament. Els diferents tipus de cel·les serien dipositats per la impressora en l'ordre correcte. Els investigadors estan descobrint que almenys alguns tipus de cèl·lules humanes tenen una capacitat sorprenent d’autoorganitzar-se quan es dipositen, cosa que seria molt útil en el procés de creació d’un òrgan.
Un tipus especial d’impressora 3D coneguda com a bioimpressora s’utilitza per fabricar teixits vius. En un mètode comú de fabricació del teixit, s’imprimeix un hidrogel des d’un capçal d’impressora per formar un cadafal. Dins d’un altre capçal d’impressora s’imprimeixen petites gotes de líquid, cadascuna de les quals conté milers de cel·les. Les gotes s’uneixen aviat i les cel·les s’uneixen entre elles. Quan s’ha format l’estructura desitjada, es treu el cadafal d’hidrogel.Es pot desprendre o es pot rentar si és soluble en aigua. També es poden utilitzar bastides biodegradables. Aquests es descomponen gradualment dins d’un cos viu.
En medicina, un trasplantament és la transferència d’un òrgan o teixit d’un donant a un receptor. Un implant és la inserció d’un dispositiu artificial al cos del pacient. La bioimpressió 3D cau en algun lloc entre aquests dos extrems. Tant "trasplantament" com "implant" s'utilitzen quan es fa referència a articles produïts per una bioimpressora.
Alguns èxits de la bioimpressió
Els implants no vius i les pròtesis creades per impressores 3D ja s’utilitzen en humans. L’ús d’implants que contenen cèl·lules vives requereix de més investigacions, que s’estan duent a terme. La impressió 3D encara no pot crear òrgans sencers, però sí seccions d’òrgans. S'han imprès moltes estructures diferents, incloent taques de múscul cardíac capaç de batre, taques de la pell, segments de vasos sanguinis i cartílag del genoll. Aquests encara no s’han implantat en humans. El 2017, els científics van presentar un prototip d’una impressora que pot crear pell humana per a la seva implantació, i el 2018 altres científics van imprimir còrnies en un procés que un dia es pot utilitzar per reparar els danys oculars.
Es van informar d'alguns descobriments esperançadors el 2016. Un equip de científics va implantar tres tipus d'estructures bioimpreses sota la pell dels ratolins. Aquests inclouen una pinna d’orella humana de mida infantil, un tros de múscul i una secció d’os de la mandíbula humana. Els vasos sanguinis dels voltants s’estenien a totes aquestes estructures mentre es trobaven als cossos dels ratolins. Va ser un desenvolupament emocionant, ja que és necessari un subministrament de sang per mantenir els teixits vius. La sang transporta nutrients als teixits vius i els elimina els residus.
També va ser emocionant constatar que les estructures implantades van poder mantenir-se vives fins que es van desenvolupar els vasos sanguinis. Aquesta gesta es va aconseguir amb l’existència de diminuts porus a les estructures que permetien l’entrada de nutrients.
Impressió de parts del cor
Creació d’una còrnia
Científics de la Universitat de Newcastle al Regne Unit han creat còrnies impreses en 3D. La còrnia és la cobertura transparent i externa dels nostres ulls. Un dany greu a aquesta coberta pot causar ceguesa. Un trasplantament de còrnia sol solucionar el problema, però no hi ha prou còrnies disponibles per ajudar tothom que les necessiti.
Els científics van obtenir cèl·lules mare d’una còrnia humana sana. Les cèl·lules es van col·locar en un gel fet d’alginat i col·lagen. El gel va protegir les cèl·lules mentre viatjaven a través del broquet únic de la impressora. Es van necessitar menys de deu minuts per imprimir el gel i les cèl·lules amb la forma correcta. La forma es va obtenir escanejant l’ull d’una persona. (En una situació mèdica, s'analitzaria l'ull del pacient.) Una vegada que es va imprimir la barreja de gel i cèl·lules, les cèl·lules mare van produir una còrnia completa.
Les còrnies realitzades pel procés d’impressió encara no s’han implantat als ulls humans. Probablement passarà un temps abans que ho siguin. Tanmateix, tenen el potencial d’ajudar a molta gent.
Estimular les cèl·lules mare per produir les cèl·lules especialitzades necessàries per formar una part específica del cos humà en el moment correcte és un repte en si mateix. Tanmateix, és un procés que pot tenir avantatges meravellosos per a nosaltres.
Avantatges de mini òrgans, organoides o òrgans en un xip
Els científics han estat capaços de crear mini òrgans mitjançant la impressió 3D (i per altres mètodes). Els "mini òrgans" són versions en miniatura d'òrgans, seccions d'òrgans o taques de teixit procedents d'òrgans específics. Se’ls fa referència amb diversos noms a més del terme mini òrgan. Les creacions impreses poden no contenir tots els tipus d’estructures que es troben a l’òrgan de mida completa, però són bones aproximacions. La investigació indica que podrien tenir usos importants, tot i que no són implantables.
Els mini òrgans no sempre es produeixen a partir de cèl·lules subministrades per un donant aleatori. En canvi, sovint es fabriquen a partir de les cèl·lules d’una persona que té una malaltia. Els investigadors poden comprovar els efectes dels medicaments sobre el mini òrgan. Si es considera que un medicament és útil i no perjudicial, es pot administrar al pacient. Hi ha diversos avantatges en aquest procés. Una d'elles és que es pot utilitzar un medicament que probablement sigui beneficiós per a la versió específica d'una malaltia del pacient i per al seu genoma específic, cosa que augmenta la probabilitat d'un tractament reeixit. Una altra és que els metges poden obtenir un medicament inusual o normalment car per a un pacient si demostren que és probable que el medicament sigui efectiu. A més, provar medicaments en mini òrgans pot reduir la necessitat d’animals de laboratori.
Una estructura que imita el pulmó
El 2019, científics de la Universitat Rice i la Universitat de Washington van demostrar la seva creació d’un mini òrgan que imita un pulmó humà en acció. El mini-pulmó està format per un hidrogel. Conté una petita estructura semblant a un pulmó que s’omple d’aire a intervals regulars. Una xarxa de vasos plens de sang envolta l’estructura.
Quan s’estimula, el pulmó simulat i els seus vasos s’expandeixen i es contrauen rítmicament sense trencar-se. El vídeo mostra com funciona l'estructura. Tot i que l’organoide no és de mida completa i no imita tots els teixits d’un pulmó humà, la seva capacitat de moure’s com un pulmó és un desenvolupament molt important.
Alguns reptes per a la bioimpressió
Crear un òrgan adequat per a la implantació és una tasca difícil. Un òrgan és una estructura complexa que conté diferents tipus de cèl·lules i teixits disposats en un patró específic. A més, a mesura que els òrgans es desenvolupen durant el desenvolupament embrionari, reben senyals químics que permeten desenvolupar adequadament la seva fina estructura i el seu intricat comportament. Aquests senyals falten quan intentem crear un òrgan artificialment.
Alguns científics pensen que al principi —i potser per algun temps per venir— imprimirem estructures implantables que puguin realitzar una sola funció d’un òrgan en lloc de totes les seves funcions. Aquestes estructures més simples poden ser molt útils si compensen un defecte greu del cos.
Tot i que és probable que passin anys abans que els òrgans bioimpresos estiguin disponibles per a implants, és possible que abans vegem nous beneficis de la tecnologia. El ritme de la investigació sembla augmentar. El futur de la impressió 3D en relació amb la medicina hauria de ser molt interessant i emocionant.
Referències
- Una orella artificial creada per una impressora 3D i cèl·lules de cartílag viu de la revista Smithsonian.
- Mandíbula de trasplantament fabricada per una impressora 3D de la BBC (British Broadcasting Corporation)
- Colorides mans impreses en 3D de la Societat Americana d'Enginyers Mecànics
- Bioprinter crea parts del cos fetes a mida per laboratori per al trasplantament de The Guardian
- Primera còrnia humana impresa en 3D del servei de notícies EurekAlert
- La impressora 3D fabrica el fetge humà més petit de la mà de New Scientist
- Els mini òrgans impresos en 3D imiten bategar el cor i el fetge de New Scientist
- Un òrgan que imita els pulmons de Popular Mechanics
- La nova impressora 3D fabrica teixits de l’orella, els músculs i els ossos a mida natural de cèl·lules vives de Science Alert
- Bioprinter 3-D per imprimir la pell humana des del nou servei phys.org
Aquest article és precís i fidel al millor coneixement de l'autor. El contingut només té finalitats informatives o d’entreteniment i no substitueix l’assessorament personal ni l’assessorament professional en qüestions empresarials, financeres, legals o tècniques.
