Actualmente, más de 113.000 personas están en la lista nacional de espera para un trasplante. Y, debido a la escasez de donantes, unas 20 personas mueren cada día mientras esperan un órgano, según el Departamento de Salud de Estados Unidos.
Actualmente, hay dos grandes obstáculos para la impresión de órganos. Las células vivas y los órganos funcionales necesitan condiciones específicas de temperatura y composición química para sobrevivir. Como el proceso es demasiado lento, las células se deterioran durante la impresión 3D de un órgano grande. Y, aunque se pueda imprimir el órgano en 3D, transportarlo requiere almacenamiento, que siempre ha sido un cuello de botella para los trasplantes.
Cómo superar los obstáculos
Para minimizar la muerte celular durante la impresión 3D de un órgano, los investigadores desarrollaron una técnica que emplea la paralelización: varias impresoras producen simultáneamente capas 2D de tejido. Luego, estas capas 2D se apilan una a una para formar estructuras 3D.
Para resolver el problema del almacenamiento de estos órganos fabricados, el equipo recurrió a siete décadas de conocimientos y técnicas para conservar células individuales. Su técnica congela cada capa 2D justo después de integrarla en la estructura 3D, y este proceso de congelación de una sola capa de células ofrece condiciones óptimas para que estas sobrevivan a la congelación, el almacenamiento y el transporte.
«En este momento, la bioimpresión se utiliza principalmente para crear pequeños volúmenes de tejido. El problema de la bioimpresión 3D es que es un proceso muy lento, así que no se puede imprimir nada grande porque los materiales biológicos se deterioran antes de terminar. Una de nuestras innovaciones consiste en congelar el material mientras se imprime, para conservarlo y controlar la velocidad de congelación», afirma el coautor Boris Rubinsky, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de California en Berkeley.
Rubinsky también señala que, al imprimir primero los tejidos en 2D y ensamblarlos después en un objeto 3D en otra estación, su equipo aceleró considerablemente la producción al eliminar prácticamente el tiempo de impresión. Una vez que la línea de montaje de bioimpresoras crea en paralelo varias capas 2D de tejido, un brazo robótico recoge una capa y la lleva a otra estación. Allí, apila los tejidos para crear un objeto 3D que los investigadores fusionan mediante congelación.
«A medida que se apila cada capa para formar una estructura 3D, una de las innovaciones que implementamos fue sumergir la estructura 3D en un baño criogénico para congelarla, en vez de hacer que el baño subiera hasta alcanzar cada capa», afirma el coautor Joseph Sahyoun. «Este método nos permitió controlar con mayor precisión la velocidad de congelación».
¿Imprimir alimentos?
Además de los órganos, otra posible aplicación de esta tecnología son los alimentos. La impresión y el ensamblaje capa por capa permiten a los fabricantes explorar diferentes texturas. También permiten desarrollar alimentos adaptados a las necesidades de las personas enfermas.
«La disfagia es muy común entre las personas mayores. Como estos pacientes tienen dificultades para tragar, reciben alimentos que son básicamente puré; así pierden el apetito y el problema empeora», afirma Rubinsky. «Pero, si se pueden crear alimentos con textura, quizá resulten más apetecibles. Luego, al masticarlos, se funden en la boca para que puedan tragarlos y obtener los nutrientes. Nuestra tecnología permite hacerlo con cualquier tipo de alimento».
Señala que la tecnología también permite desarrollar la fabricación de alimentos congelados a escala industrial, controlando meticulosamente la estructura de los cristales de hielo en los alimentos, capa celular por capa celular, en todo el producto.
«Esto es importante porque el tamaño y la homogeneidad de los cristales de hielo son elementos fundamentales para la calidad de los alimentos congelados», afirma Rubinsky.
Aunque apilar capas finas para crear un objeto 3D no es una idea nueva en la fabricación, hacerlo con materiales biológicos sí lo es.
«Hay una gran diferencia entre los materiales utilizados en la laminación convencional —como el papel, los plásticos, la cerámica y los metales—, que son rígidos incluso en capas finas, y la materia biológica, compuesta sobre todo de líquido y mucho menos rígida», afirma Gideon Ukpai, estudiante de posgrado en el laboratorio de Rubinsky y autor principal del artículo.
Por ello, el equipo utilizó superficies rígidas hidrófilas e hidrófobas, diseñadas cuidadosamente, sobre las que imprime capas 2D. Estas capas especiales permiten transportar las capas 2D a cierta distancia, independientemente de la dirección de la gravedad, para colocarlas sobre un objeto 3D.
En futuras investigaciones, Ukpai y una nueva promoción de estudiantes de máster en ingeniería trabajarán para optimizar mejor este proceso, caracterizar los productos y determinar en qué situaciones ofrece mayores ventajas.
