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Bioprinter: Aplicación médica de la impresión 3D

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La impresión 3D ofrece un cambio paradigmático. Permite crear objetos de una sola pieza a partir de un diseño digital y sus potencialidades de aplicación abarcan un gran campo de actividades productivas y sociales.

La Fundación Argentina de Nanotecnología cuenta, actualmente, con una impresora 3D Chimak de dos cabezales que se alimenta con un filamento polimérico estándar o nanoreforzado, que provee prototipos que facilitan el trabajo de testeo y ajuste de diseño de productos industriales. El campo de aplicación incluye a gran parte de la industria de los plásticos, desde piezas para automóviles  hasta elementos de protección personal, partes componentes de electrónica y microelectrónica, encapsulados especiales y objetos de uso, entre otros.

Piezas producidas por impresora 3D.

Ahora bien, más allá de la provisión de estos materiales, aparece la posibilidad de imprimir, utilizando esta tecnología, piezas biocompatibles que puedan ser utilizadas para suplantar tejidos u órganos del cuerpo humano y así resolver uno de los mayores desafíos de la medicina a nivel mundial.

En este sentido, nació el proyecto “Diseño y desarrollo de impresora 3D con cabezal de jeringa doble para uso en biotecnología como herramienta de "bioprinting", en el Laboratorio de Investigación y Formación en Informática Aplicada (LIFIA), de la Universidad Nacional de La Plata, en conjunto con el Laboratorio de Nanobiomateriales del Centro de Investigación y Desarrollo en Fermentaciones Industriales (CINDEFI), dependiente de esa universidad y el CONICET.


“Para llevar a cabo este desarrollo se utilizó una impresora 3DOpen Hardware, cuya tecnología de impresión es Modelado por Deposición Fundida y a la que se le modificó el sistema de cabezal, logrando una nueva plataforma que controla un sistema dual de jeringas que permite el dosaje simultáneo de moléculas con capacidad de autoensamblado para brindar una mayor homogeneidad al sistema, imprimir biopolímeros con formas geométricas específicas y combinarlos para crear nuevas formas”, comenta el especialista en informática Sergio Katz, líder del proyecto.

Para entender el funcionamiento de una impresora 3D es necesario saber que va depositando el material capa por capa, y se obtiene un objeto en tres dimensiones. En cada capa, un cabezal se va moviendo sobre los ejes X e Y (hacia adelante, atrás, hacia la derecha y a hacia la izquierda) y mientras se mueve va depositando material sobre la capa anterior, o sobre una base en el caso de la primera capa. Estos movimientos se realizan gracias a un software que se encarga de analizar la forma geométrica del objeto tridimensional y lo descompone en capas bidimensionales, así, al depositar el material capa por capa se logra construir físicamente un objeto en tres dimensiones.

En el caso de las impresoras 3D convencionales, imprimen a partir de un filamento plástico que se va derritiendo a medida que es expulsado del cabezal (o extrusor). Esta tecnología de impresión se denomina Fused Deposited Modeling (FDM).

“En este proyecto, la idea era aprovechar las características de precisión y automatización de  movimientos para diseñar un sistema capaz de controlar la deposición de biopolímeros. Se diseñó y desarrolló un nuevo cabezal que, en lugar de extruir plástico, permitiera expulsar biopolímeros para crear objetos previamente diseñados digitalmente. Este desarrollo permite controlar hasta dos jeringas, haciendo que cada una de ellas expulse una solución líquida diferente”, agrega Katz.

El equipo que trabaja en esta iniciativa, está compuesto además por los especialistas Bernardo Bayon, Maximilano Cacicedo, German Islan, y Guillermo Castro, del CINDEFI, como parte de la línea de estudio de biocatálisis en medios no convencionales y liberación controlada de moléculas empleando biopolímeros.

Impresión de Biopolímeros

“Una vez desarrollada la nueva impresora comenzamos con las pruebas. En este estudio, preparamos dos soluciones de alginato y calcio con agua. Al poner en contacto el alginato y el calcio forman un gel (y se denomina gelación inotrópica, porque son los iones los que unen las cadenas poliméricas). Con este tipo de sistema se pueden imprimir otros biopolímeros para formar geles (mallas o matrices tridimensionales) de manera similar.

Las matrices se pueden modificar de acuerdo a las características del fármaco (o moléculas terapéuticas, por ejemplo cicatrizantes) y los requerimientos establecidos por los médicos para el tratamiento de heridas o enfermedades, adaptando de esta manera la administración del fármaco en términos de cantidades de dosis, tipo de droga”, comentan los integrantes del equipo.

El beneficio de trabajar con bioimpresión 3D para el estudio y la combinación de polímeros es que es más rápido, reproducible y personalizado. Este proyecto de impresión 3D intenta dar un aporte en las aplicaciones de bioprinting, nanotecnología y biotecnología. Y a su vez contribuir a la innovación en el campo de los materiales no convencionales como polímeros naturales y sintéticos, y sus posibles combinaciones con materiales biológicos, materiales celulares y sistemas híbridos.

La importancia de este desarrollo radica en las soluciones que puede brindar en lo relacionado al cuidado de la salud humana. Las mallas impresas o estructuras 3D biodegradables, se pueden usar para recubrir órganos luego de una cirugía de ablación parcial para facilitar la cicatrización y proteger la zona debilitada del órgano (por ejemplo, ablación parcial de intestino). En el caso de hernias, se puede utilizar para cerrar y proteger el tejido muscular debilitado, para reforzar y/o proteger músculos y tendones dañados.

También sería útil en cirugías reparativas, como reconstruir daños faciales provocados por pérdida de tejido; en medicina regenerativa, con casos más avanzados de cirugías para regenerar tejido, implantando matrices biopoliméricas que contengan células, por ejemplo, tejido hepático; en heridas y/o quemaduras para recubrir las zonas lesionadas. En úlceras, por ejemplo, pie diabético, para construir matrices 3D con la forma y tamaño de las úlceras.

El Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva, a través de la Subsecretaría de Políticas, impulsa diferentes acciones vinculadas al apoyo y difusión de esta tecnología. Por un lado, realiza mesas sectoriales, jornadas y publicaciones orientadas a la difusión. Además, durante 2014 y 2015, se abrieron convocatorias para la innovación, desarrollo y adopción de la tecnología de impresión 3D orientada a PyMEs, universidades, centros tecnológicos e institutos de investigación.

En la convocatoria a proyectos de innovación y desarrollo se adjudicaron Aportes No Reembolsables (ANR) de hasta $60.000 a 10 proyectos (de un total de 52 presentaciones recibidas). Uno de los beneficiarios fue el presentado por Sergio Katz, que involucró investigación y desarrollo tecnológico en hardware de impresión 3D, materiales, software y servicios complementarios relacionados.