Bioimpresión 3D órganos

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1º 2º Bachillerato
30 de enero
2015
LA BIO-MEDICINA EN 3D
INVES-
TIC-
ACCIÓN
Daniel Orive Mauleón

LA BIO-MEDICINA EN 3D Daniel Orive
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1. TEMADEL TRABAJO
La bio-medicina en 3D y su aplicación en la impresión de órganos.
2. OBJETIVO
El objetivo de este proyecto es acercarme al conocimiento de las nuevas
tecnologías en Bio-medicina, centrando especialmente mi interés en la parte
científica de la elaboración de órganos y en el uso de las células madre a través
de la impresión 3D.
3. ÍNDICE
Bio-impresión 3D
1. En qué consiste la impresión 3D
1.1 Historia de la impresión 3D
1.2 Materiales y funcionamiento
1.3 Aplicaciones en diversos ámbitos
2. Aplicaciones en medicina
2.1 Origen
2.2 Bio-impresora 3d
2.2.1 Aplicaciones
4. INTRODUCCIÓN
Me he decidido a realizar este trabajo de investigación, dentro de la asignatura de
TIC, porque me apasiona el mundo científico y tecnológico y en este momento
creo que una las actividades más prometedoras y en pleno proceso de
crecimiento en investigación y desarrollo es la impresión 3D y con especial
trascendencia en el campo de la bio-medicina.

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La impresión 3D es un conjunto de tecnologías de fabricación donde un objeto
tridimensional es creado mediante la superposición de capas sucesivas de
diferentes materiales y en el caso de la medicina con la utilización de la tinta
biológica de células vivas para la creación de órganos humanos.
En este momento el acceso fácil y el bajo coste de las impresoras 3D está
haciendo que sea cada vez más asequible para muchos sectores e incluso a nivel
doméstico y que, con la utilización de servicios online y el conocimiento abierto,
hace prever que llegará el día en que tener una de estas máquinas en casa será
como tener la impresora de papel que conocemos o cualquier otro
electrodoméstico.
Aplicada a todos los sectores (industrial, sanitario, alimentación, aeroespacial,
militar, etc.) “La impresión 3D es una de esas pocas tecnologías que revolucionan
el mundo”1.
Con este trabajo espero conseguir adentrarme en la historia, los materiales, el
funcionamiento y las aplicaciones en los diferentes ámbitos, así como estudiar el
origen y la bio-impresión 3D, con más interés en el uso de las células madre, la
creación de órganos y tocando un poco lo referido a las prótesis.
5. CUERPO DEL TRABAJO
1- EN QUE CONSISTE LA IMPRESIÓN 3D
La impresora 3D crea un modelo en tres dimensiones que previamente se ha
elaborado por medio de un programa de diseño asistido por ordenador (CAD),
este trasmite los datos a la impresora 3D la cual realiza la mezcla de los
materiales, fabricando el modelo 3D físico. Es algo mágico pasar un producto de
la pantalla del ordenador a tenerlo en las manos, poder estudiarlo y darle la
utilidad para la cual lo hemos planificado.
1 Ramiro,J. C. – Director de Accesibilidad del CENTAC (Centro Nacional deTecnologías de la Accesibilidad).
Simón, A. (2014, julio,16).Los órganos impresos en 3D ya están aquí. [Artículo de Prensa].Cinco Días.
Recuperado de http://cincodias.com/cincodias/2014/07/16/empresas/1405532987_299032.html

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1-1 HISTORIA DE LA IMPRESIÓN 3D
La creación de impresiones 3D se puede remontar a 1976, cuando se inventó la
impresión de inyección de tinta. A partir de 1984, Charles Hull, co-fundador de 3D
Systems, inventó la estereolitografía, con la que hizo evolucionar la tecnología, un
proceso de impresión que dio como resultado objetos 3D palpables creados a
partir de la información digital.
Fue en 1992 cuando 3D Systems crea la primera máquina de estereolitografía
con un rayo ultravioleta que solidificaba un fotopolímero. Este es un líquido muy
similar a la miel con el que se construyen partes tridimensionales capa por capa.
A lo largo de 1999 el Instituto Wake Forest para Medicina Regenerativa consigue
implantar en humanos los primeros órganos modificados por medio de implantes
arteriales impresos en 3D y cubiertos con células del propio paciente,
minimizando el riego de rechazo a prácticamente cero.
Durante 2002 se consigue diseñar un riñón miniatura completamente funcional,
capaz de filtrar sangre y producir orina diluida en un animal y que supuso el inicio
de la investigación para “imprimir” órganos y tejidos usando tecnología de
impresión 3D.
El Dr. Adrian Bowyer de la Universidad de Bath, fundó en 2005 RepRap, una
iniciativa open-source, para crear una impresora 3D que pudiera imprimir sus
propias partes. Este proyecto buscaba generalizar la fabricación de objetos
cotidianos por medio de la impresora.
En el año 2006 aparecen las primeras máquina de SLS (sintetización de láser
selectivo) que usa un láser para convertir materiales en productos 3D, lo cual fue
el inicio para la producción en masa de objetos cotidianos, partes industriales e
incluso prótesis. Este mismo año se creó Objet, un sistema de impresión 3D que
puede imprimir con materiales diversos como elastómeros y polímeros y que hace
posible que una pieza se pueda construir con diferentes densidades y
propiedades.

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Es en 2008 cuando se hace posible que pueda caminar la primera persona con
una prótesis impresa en 3D, la cual incluía la rodilla, el pie y el tobillo en una
misma estructura. Este avance permite que los fabricantes de prótesis realicen
desarrollos a medida de las necesidades del sector y ajustadas a las de cada
paciente.
La empresa de open-source de hardware para impresoras 3D, MakerBot
Industries, comienza en 2009 la venta de kits de montaje que permiten a los
compradores fabricar sus propias impresoras 3D y por lo tanto sus productos.
Este año llega LA BIO-IMPRESIÓN, con la tecnología del Dr. Gabor Forgacs,
que utiliza una bio-impresora 3D para imprimir el primer vaso sanguíneo.
Los ingenieros de la Universidad de Southampton consiguen en 2010 fabricar la
primera aeronave con una impresora 3D. Se construyó en solo siete días
haciendo posible utilizar las alas elípticas, muy caras en fabricación convencional,
las cuales tienen muy buena eficiencia aerodinámica ya que reduce al mínimo la
resistencia inducida.
En 2011 la compañía Kor Ecologic lanza un prototipo de automóvil amigable con
el medio ambiente llamado Urbee, creado completamente con una impresa 3D.
Doctores e ingenieros holandeses trabajan durante el año 2012 con una
impresora 3D, especialmente diseñada por la empresa LayerWise, la cual permite
imprimir prótesis de mandíbulas personalizadas y es en el 2013 cuando
consiguen implantar una mandíbula a una mujer de 83 años de edad que sufría
una infección de hueso crónica.
1-2 MATERIALES Y FUNCIONAMIENTO
La materia prima más utilizada en las impresoras 3D son los plásticos ABS
(acrilonitrilo butadieno estireno) y los PLA (ácido poliláctico). Debido a las
características de fusión de estos plásticos a altas temperaturas y el rápido
enfriamiento al contacto con el aire, hace que las necesidades de encontrar otros
materiales compatibles con las impresoras 3D sean una prioridad.

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Los esfuerzos de la compañía Emerging Objects dan sus frutos y consiguen
trabajar con materiales como la madera, el nailon, el cemento, el papel, la sal y
los acrílicos, incrementando el potencial de la impresión 3D en sectores como la
arquitectura, la alimentación, el aeroespacial, la industria y en la bio-medicina.
Es en la bio-medicina donde el uso de las denominadas tintas biológicas, creadas
a partir de células madre del propio paciente, abre un mundo de posibilidades
medicas infinitas permitiendo el estudio y fabricación a medida.
En paralelo con estos avances también se están teniendo en cuenta la alternativa
verde, que supone el uso de materiales que proceden de los reciclados,
consiguiendo un especial cuidado con el medio ambiente.
El funcionamiento básico de las impresoras 3D consiste en que el objeto se
imprime capa a capa y desde abajo hacia arriba, siguiendo el modelo del archivo
(.CAD) previamente creado en la computadora, hasta completar la pieza. En
función de la tecnología usada los tipos de impresión 3D son:
Esterolitografía (SLA). Consiste en la aplicación de un haz de luz ultravioleta a
una resina líquida sensible a la luz. Se consiguen piezas de altísima calidad.
Sinterización Selectiva por Láser (SLS). Aunque se parece a la anterior, esta
posibilita el uso de materiales en polvo (cerámica, cristal, nylon, poliestireno, etc.)
que es fundido por el láser al impactar en él y se solidifica.
Inyección. Es el más parecido a la impresora habitual. Las tintas de diferentes
tipos de materiales líquidos se aplican en una base mediante inyectores
permitiendo mezclarlas a gusto del diseñador y poder aplicar una serie de
especificaciones en el mismo diseño (como flexibilidad, durezas, colores o incluso
sabores) de las distintas propiedades de cada material en cada capa producida.
Impresión por deposición de material fundido (FDM).
Consiste en depositar polímero fundido sobre una base plana, capa a capa. Esta
técnica aditiva del modelado por deposición fundida hace que el material en
estado sólido almacenado en rollos, se funde y se solidifica conforme va tomando

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la forma de cada capa. Es la más utilizada y la que ha permitido poner la
impresión 3D al alcance de cualquier usuario doméstico.
1-3 APLICACIONES EN DIVERSOS ÁMBITOS
En este momento no hay sector que se resista a las innovadoras impresoras 3D,
tanto por sus posibilidades de creación como por el abaratamiento de la puesta en
escena de nuevos productos antes de su comercialización.
Desde prótesis hasta hamburguesas pasando por las piezas 3D para los aviones
de Airbus y Boeing, es la bio-medicina, con la creación de tejidos impresos a partir
de células madre, la que genera más esperanza de éxito para los humanos.
2- APLICACIONES EN MEDICINA
En mi opinión, la impresión 3D aplicada a la medicina y la salud, es donde más se
está investigando con materiales bio-compatibles a partir de células madre, para
conseguir la fabricación de órganos funcionales sin provocar rechazo en los
humanos, así como para la construcción de prótesis personalizadas.
La impresión 3D cambiará el sistema actual de elaboración y administración de
los fármacos, ya que serán creados con la composición y mezcla adecuada a
cada paciente, actuando contra varias patologías a la vez.
A nivel formativo la incorporación de la impresión 3D a las aulas, facilitará el
trabajo de los profesores y la tarea de aprendizaje de los alumnos.
2-1 ORIGEN
Desde 1938 que el biólogo francés Alexis Carrel publicase su libro “El Cultivo de
los Órganos” en el que ideó algunas de las tecnologías utilizadas hoy para suturar
vasos sanguíneos, no es hasta el año 2003 cuando Thomas Boland, de la
Universidad Clemson, modificó unas impresoras de chorro de tinta para imprimir
proteínas con patrones especiales. Su colega Vladimir Mironov dijo en su
momento “Este avance científico podría tener el mismo tipo de impacto que tuvo
la imprenta de Gutenberg”.

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El cirujano Anthony Atala del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, en
2001, trasplantó con éxito en seres humanos vejigas sintéticas cultivadas en
laboratorio, siendo considerado el padre del concepto 3D.
Es Anthony Atala, el 3 de marzo de 2011, quien vuelve a sorprender al mundo
científico al presentar el primer riñón humano surgido de una tecnología de
impresión 3D. No era un órgano de plástico, resina o aleaciones minerales, era un
órgano formado por células vivas.
2-2 BIO-IMPRESORA 3D
2.2.1 APLICACIONES
PRÓTESIS
La impresión 3D ha sido fundamental para el desarrollo de prótesis sólidas, de
titanio, materiales cerámicos o plásticos, destinadas a sustituir la parte solida de
los huesos en los pacientes.
Por poner un ejemplo de materiales, el titanio es “similar a la estructura dura del
hueso. Ante un paciente que en un accidente ha perdido parte de la mandíbula,
con una impresora 3D se puede diseñar y crear la parte de hueso que falta al
milímetro”2.
El Centro de Referencia Estatal de Autonomía Personal y Ayudas Técnicas
(Ceapat) cuenta con la primera impresora pública 3D, con el objetivo de impulsar
la fabricación de objetos y prótesis para las personas dependientes. “Es una
tecnología fácil, con gran nivel de adaptabilidad y con miles de usos”3.
CÉLULAS MADRE
2 Bercea, J. – Catedrático e Investigador del Laboratorio de Bioingeniería y Regeneración Tisular dela
Universidad deMálaga.
Prats,J. (2013,noviembre, 12). Cartuchos de células,impresorasdeórganos.[Artículo de Prensa].El País.
Recuperado de http://sociedad.elpais.com/sociedad/2013/11/12/actualidad/1384289478_726164.html
3 Ramiro,J. C. – Director de Accesibilidad del CENTAC (Centro Nacional deTecnologías de la Accesibilidad).

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El último gran uso para la impresión 3D consiste nada menos que en imprimir
órganos humanos. El previsible impacto de la impresión 3D en la medicina es uno
de los principales factores que invita a pensar que será posible crear órganos y
tejidos a medida, compatibles con el receptor a partir de células obtenidas del
propio paciente. Una prueba de ello son los equipos capaces de fabricar tejido
hepático vivo, que ya son una realidad, como muestra el catálogo de la empresa
estadounidense Organovo.
“Yo lo situaría en la frontera de los próximos 30 años”4. Pero, aunque sea a largo
plazo, hay motivos para imaginar que la escena del quirófano acabe siendo
realidad por razones que van más allá de la simple fe en el desarrollo científico.
“Lo mágico de todo esto es que se vislumbra [como una posibilidad de futuro]
gracias al desarrollo que están teniendo las impresoras 3D y la informática, unido
a la aparición de nuevos materiales y los avances en el conocimiento biológico”5.
ÓRGANOS
Los avances para la impresión 3D de órganos humanos son impresionantes pero
la carrera por conseguir un órgano funcional aún está lejos.
Con los datos en la mano “La impresión en 3D es lejana pero no ciencia ficción.
Tiene todo el sentido del mundo por los rechazos en el cuerpo y por la falta de
órganos”6. Ya se trabaja en la repoblación celular de estructuras de corazón.
Es cierto que hay órganos más complejos y complicados para la impresión,
porque por ejemplo “Un pulmón se diversifica en 300 millones de saquitos
alveolares, algo muy complicado de conseguir con la tecnología 3D”7.
6 Fernández-Avilés, F. – Jefe de Cardiología del Hospital Gregorio Marañon.

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Es una carrera sin tiempos de descanso y los trabajos de diferentes equipos de
investigadores son una muestra del interés y esfuerzo continuo.
Los investigadores de la Universidad de Cornell (New York) anunciaron, en
febrero de 2013 a la revista Public Library of Science (Plos) ONE8, que habían
escaneado una oreja y la copiaron con una impresora 3D para poder fabricar un
molde que rellenaron de colágeno. Utilizaron este soporte para ser colonizado por
células de cartílago (células condrógenas) obtenidas de vaca. Así mismo
comentaron que para la aplicación clínica, las células empleadas serían cultivos
celulares del propio paciente al que le faltara la oreja.
En mayo de 2013 los investigadores de la Universidad de Michigan junto a
médicos del Hospital Infantil Akron en un artículo que publicó The New England
Journal of Medicine9, contaban cómo habían salvado la vida de un bebé, de dos
meses, gracias a una pieza de tráquea bio-compatible fabricada por una
impresora 3D. El pequeño padecía una enfermedad (traqueobroncomalacia) que
se caracteriza por la debilidad de la tráquea y facilitaba su oclusión, impidiendo la
entrada de aire a los pulmones. A partir de una imagen tomográfica de la vía
respiratoria del niño, diseñaron un pequeño tubo rígido que reproducía el
segmento de la tráquea lesionado. El material empleado en este caso fue la
policrapolactona, un polímero que el cuerpo biodegrada en tres años, que es el
tiempo que necesita la tráquea del pequeño para crecer, madurar y mantenerse
abierta por sí misma.
Gracias a la tecnología, pudimos ver, la trasmisión en directo por la Televisión de
China10, que un equipo de investigadores de la Universidad de China consigue
7 Ferré, R. – Profesor de la Universidad deBarcelona e investigador deCIBERES (Centro de Investigación
Biomédica en Enfermedades Respiratorias.
8 publicado en la revista:Public Library of Science(Plos) ONE.
9 publicado en la revista:The New England Journal of Medicine.
10 Mingen, X. – Profesor de la Univesidad China.

11
imprimir el primer órgano, un riñón en tamaño reducido, utilizando una bio-
impresora 3D en la que se empleaba componentes biológicos de células vivas,
dando un gran paso hacia la fabricación de órganos humanos.
Parece que el futuro para obtener órganos funcionales es prometedor, según
comenta el Director de Wake Institute for Regenerative Medicine de Winston-
Salem (Carolina del Norte, EE UU) y recogido por Antena 3 Televisión11. Están
convencidos que en pocos años serán capaces de fabricar la mayoría de los
órganos vítales del cuerpo humano.
También en España se está trabajando intensamente y ya se ha imprimido en 3D
un tumor que rodeaba el corazón de un niño, como ha comentado el cirujano del
Hospital San Joan de Déu de Barcelona y publicado en un podcast de Ivoox12,
con la impresión 3D se ha podido trabajar sobre ese material y preparar la
intervención quirúrgica. Han calculado exactamente donde estaban todos las
estructuras que había que preservar para posteriormente poder hacer una cirugía
con mayor seguridad y garantías.
6. CONCLUSIÓN
La impresión 3D tiene mucho camino por recorrer en investigación y desde luego
un futuro apasionante y más en el campo de la BIO-IMPRESIÓN 3D, que para mí
es el gran reto.
Nos sitúa en un mundo de posibilidades, tanto para la formación de personal
como para la realidad de los trasplantes, con la creación de órganos y tejidos a
medida de cada paciente y con la seguridad tanto en el éxito de evitar el rechazo
como en el de no tener que depender del número de donantes, que como
sabemos es muy escaso.
Morrison,H. (2013, agosto,28). Imresión de órganos Ya es posibleimprimir riñón en 3D con impresora
biológica.[Archivo deVideo]. Youtube. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=EPC1IO29cV4
11 Atala,A. – Director de Wake Forest for Regenerative of Medicine.
Anónimo. Las impresoras 3D. [Archivo de Video]. Antena 3. Recuperado de
http://www.antena3.com/videos-online/noticias/salud/impresoras_2013052500096.html
12 Krauel,L – Cirujano del Hospital San Joan de Déu de Barcelona.
Plaza,L. (2014, julio,7).Imprimen un tumor en 3D para ensayar una operación compleja.[Podcast].Ivoox.
Eureka. Recuperado de http://www.ivoox.com/eureka-imprimen-tumor-3d-para-audios-
mp3_rf_3289596_1.html

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Solo el paso del tiempo nos dirá hasta donde nos ha llevado los avances y
comprobaremos que pasa si resulta un fracaso o si es un éxito, si tendrá
repercusiones económicas, legales, éticas, morales o religiosas.
En todo caso es una necesidad y una obligación el intentar avanzar en la
investigación y el desarrollo de todas las técnicas que puedan beneficiar al
conjunto de la humanidad.
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