Implantes y órganos de titanio en una impresora 3D: cómo se está desarrollando la bioingeniería

Al cuerpo humano no le gustan las intervenciones y los materiales extraños, pero a veces no se puede prescindir de los implantes para restaurar las estructuras perdidas. ¿Qué es y se pueden hacer a partir de las propias células del cuerpo?

Del titanio a los biomateriales

La bioingeniería se ocupa del diseño, creación y aplicación de biosimilares de tejidos y órganos para restaurar su estructura y función. Está dirigido a utilizar solo aquellos materiales que serán más compatibles con el cuerpo y no causarán reacciones negativas por su parte, por ejemplo, rechazo. Si una persona tiene un accidente y ha recibido daños óseos graves, se puede instalar un implante de titanio (endoprótesis). Sin embargo, el cuerpo lo lee como extraño y da varias reacciones y complicaciones.

No hace mucho tiempo, los científicos aprendieron a hacer endoprótesis individuales con un recubrimiento especial que ayuda al implante a "hacer amigos" con el cuerpo. Esto se logra de la siguiente manera:

se construye un modelo del implante deseado (basado en los datos de tomografía computarizada del paciente),

impreso en una impresora 3D hecha de titanio,

el implante está recubierto con el medicamento,

la endoprótesis se integra en el cuerpo,

El recubrimiento se disuelve, liberando el medicamento.

Por lo tanto, es posible no solo protésicas de las partes perdidas, sino también tratar, por ejemplo, artrosis o tumores.

Andrey Nikolaenko, Jefe del Laboratorio de Diseño de Bioprótesis del Centro de Competencia NTI "Ingeniería Biónica en Medicina" de SSMU:

"De hecho, la endoprótesis es una estructura metálica que se integra en el cuerpo. Para minimizar las complicaciones, hemos creado un recubrimiento que se puede llenar con los medicamentos necesarios para un paciente en particular. Por ejemplo, con una lesión dental, el riesgo de infección es alto, luego instalaremos una endoprótesis con un recubrimiento antiinflamatorio ".

Según Nikolaenko, en la práctica clínica, las endoprótesis seriadas se utilizan principalmente, pero en el 20% de los casos se necesitan prótesis individuales, que se fabrican utilizando tecnologías aditivas y teniendo en cuenta las características anatómicas de los pacientes, lo que permite restaurar la función de la extremidad dañada de la manera más eficiente posible. Antes de su introducción, los pacientes, por ejemplo, con fracturas de los huesos pélvicos, podían permanecer discapacitados. Y el uso de endoprótesis totalmente cerámicas le permite eliminar defectos en las articulaciones de la mano y el pie. Hoy en día, las endoprótesis individuales de titanio, cerámica y composite impresas en 3D se utilizan en neurocirugía, cirugía maxilofacial, cirugía reconstructiva, cirugía de manos y pies, traumatología y ortopedia.

Al mismo tiempo, a pesar de la innovación de la solución con endoprótesis, la medicina se está desarrollando cada vez más hacia el uso de materiales biológicos para bioimplantes, que serán 100% aceptados por el cuerpo. Los expertos creen que en 15-20 años, la bioimplantación puede reemplazar las endoprótesis utilizando materiales artificiales. Como base para los bioimplantes están los materiales de origen biológico. Por métodos especiales, todos los antígenos se eliminan de ellos (estas son las mismas partículas que hacen que el cuerpo luche contra el implante).

Larisa Volova, Jefa del Centro de Productos Celulares Biomédicos del Centro de Competencia del NTI SamSMU:

"La ingeniería de tejidos es el uso de materiales biológicos, tecnologías celulares para crear productos individuales o en serie. Disponemos de tecnología propia para la fabricación de bioimplantes a partir de tejidos conectivos y de soporte humanos utilizando una tecnología patentada. Le permite eliminar las células que tienen propiedades antigénicas, algunas proteínas, pero al mismo tiempo preservar todos los componentes biológicamente activos que están involucrados en el proceso regenerativo ".

Cuando se coloca un bioimplante en el área del daño, reemplaza temporalmente el defecto, estimulando la restauración de su propio tejido. Si estamos hablando de daño óseo, entonces la transformación de un bioimplante se puede representar de la siguiente manera:

restauración de la integridad anatómica del hueso y su función;

incrustación en el tejido óseo;

germinación de vasos sanguíneos y nervios, llenándose con las propias células del paciente;

reabsorción lenta (reabsorción), con la formación del propio tejido óseo del paciente en su lugar.

En algunas situaciones clínicas, con una destrucción significativa del tejido, el proceso de bioimplantación pasa por un camino más complejo. Primero, el bioimplante se planta en el tejido del paciente cerca del sitio del defecto y se "conecta" a los vasos sanguíneos. Después de que el bioimplante se llena con sus propias células, se mueve junto con los vasos al área de daño con la eliminación del defecto óseo. Este enfoque se denomina biorreactor in vivo.

Larisa Volova:

"Creamos bioimplantes en su estructura y estructura correspondiente a los huesos en el área de daño. Si es necesario hacer un implante para un hueso de forma compleja (por ejemplo, la mandíbula inferior) o una forma individual, primero se realiza un escaneo del área de interés y un modelado 3D del producto. Luego, en máquinas especiales con control numérico de programas, se realizan bioimplantes personalizados, que serán fáciles y convenientes de usar durante las operaciones ".

De bioimplantes a bioimpresoras 3D y células vivas

Los bioimplantes son fragmentos de tejido de varias formas y tamaños. Pero más allá de estas opciones, los científicos han aprendido a hacer biogeles que se pueden utilizar para crear bioimplantes totalmente personalizados utilizando el método de bioimpresión tridimensional (3D). Como base, se toman datos de TC o RM del área del defecto. Se espera que dichos biogeles aparezcan a finales de 2023 y sean un nuevo paso serio en el desarrollo de la tecnología de bioimpresión y la medicina regenerativa en general.

Si dicho biogel se combina con células vivas, por ejemplo, células madre, obtenidas de tejido adiposo o médula ósea, entonces se obtiene "bioinknyl". En un futuro próximo, una impresora 3D imprimirá hueso, tejido cartilaginoso y piel para el tratamiento de una serie de enfermedades del sistema musculoesquelético, así como lesiones cutáneas graves y generalizadas (por ejemplo, quemaduras).

Andrey Nikolaenko:

"A medida que la tecnología se desarrolle, será posible imprimir no solo telas, sino también órganos enteros en una impresora 3D. Por supuesto, este no es un proceso rápido y aunque el "corazón impreso en 3D" suena como ficción, en 50 años será bastante real. Y con el tiempo, el costo de este proceso disminuirá y estará más ampliamente disponible".

Los expertos señalan que a medida que se desarrolle la tecnología, la bioimpresión 3D de tejidos y órganos podrá reemplazar la donación. Por lo tanto, será posible resolver el problema de la escasez de órganos de donantes, así como la biocompatibilidad completa del implante con el cuerpo del paciente.

Desafíos de implementación

La principal dificultad de la bioingeniería es la introducción de nuevas tecnologías directamente en la práctica médica. Las endoprótesis individuales de titanio son difíciles de registrar, ya que ellas mismas no están sujetas a registro y el material está sujeto. Y para los bioimplantes, no existe una legislación como tal.

Ahora la principal ley que regula el campo de la bioingeniería es la "Ley sobre el trasplante de órganos humanos y (o) tejidos" de 1992 y los reglamentos pertinentes. Sin embargo, las decisiones discutidas anteriormente ya no son tejidos u órganos como tales. Estos son productos médicos que son similares a las telas en sus propiedades, pero ya no son completamente ellos.

Larisa Volova dijo:

"Si bien la ciencia ha avanzado mucho, la legislación se remonta a los años 90 del siglo pasado. Por supuesto, no puede mantenerse al día con la ciencia, pero esta brecha entre ellos debe reducirse, presentar una iniciativa y promover nuevas iniciativas legislativas ".