La tecnología de bioimpresión 3D tiene un gran potencial en el tratamiento de daños en tejidos y órganos. Los enfoques existentes involucran la bioimpresión in vitro de tejido vivo antes de introducirlo en el cuerpo del paciente. Un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney ha desarrollado un brazo robótico flexible que puede imprimir biomateriales en 3D directamente en los órganos dentro del cuerpo humano. Este dispositivo puede ayudar en el desarrollo de futuros robots quirúrgicos endoscópicos avanzados.
La creación de biomateriales in vitro, utilizando bioimpresoras de escritorio, antes de introducirlos en el cuerpo tiene una serie de desventajas. Los investigadores señalan la falta de preparación de la superficie en el momento de la implantación, el daño de la estructura como resultado de la manipulación y el transporte, así como un alto riesgo de contaminación. Además, la cirugía requerida para insertar los materiales impresos da como resultado un período de recuperación más largo y costos más altos. Un dispositivo de bioimpresión in situ superaría todos estos problemas.
Es por eso que el equipo del Dr. Thanh Nho Do ha desarrollado una bioimpresora 3D diminuta y flexible que se puede insertar en el cuerpo como un endoscopio para imprimir biomateriales directamente en las superficies de los órganos y tejidos internos, incluidos los intestinos, el estómago o el corazón. El prototipo, llamado F3DB (para bioimpresora 3D flexible), consta de un cabezal de impresión de alta libertad montado en el extremo de un brazo robótico largo y flexible con forma de serpiente. Todo el sistema se controla de forma remota mediante una arquitectura maestro-esclavo.
Un dispositivo apto para trabajar en los lugares más inaccesibles
Actualmente, no existe ningún dispositivo en el mercado capaz de realizar bioimpresión 3D in situ de tejidos u órganos internos ubicados lejos de la superficie de la piel. Se han presentado varias pruebas de concepto, pero han demostrado ser relativamente inflexibles y/o difíciles de manejar y, por lo tanto, no son adecuadas para objetivos difíciles de alcanzar.
"Este sistema tiene el potencial de reconstruir con precisión heridas tridimensionales dentro del cuerpo, como lesiones en la pared del estómago o lesiones y enfermedades dentro del colon", concluye el Dr. Do. Debido al cuerpo flexible, el prototipo puede imprimir biomateriales multicapa de varios tamaños y formas, incluso en los lugares más estrechos y de difícil acceso del cuerpo. Los movimientos del brazo robótico, que se puede hacer a cualquier longitud deseada, están controlados por un sistema hidráulico.
a) Esquema F3DB. Todo el sistema es impulsado por músculos blandos artificiales a través de una fuente hidráulica externa; el usuario controla el cabezal de impresión a través de la consola principal. b) Prototipo F3DB. c) Bioimpresión 3D ex vivo de un biomaterial en riñón porcino fresco. d) Disección de tejido en colon porcino fresco, donde la cabeza se utiliza como bisturí electroquirúrgico.
El cabezal de impresión está hecho de músculos artificiales flexibles y puede moverse en tres direcciones. Puede programarse para imprimir formularios predefinidos o controlarse manualmente para aplicaciones más complejas. Para facilitar el proceso se integró un controlador basado en aprendizaje automático. Además, F3DB permite la impresión en varios sitios: después de completar el primer trabajo, el brazo robótico se redirige a otros lugares donde puede realizar secuencialmente otros trabajos de impresión. "Con esta función, el área imprimible se puede expandir para cubrir toda la superficie de un órgano o tejido interno, lo que no es posible con los dispositivos de bioimpresión in vivo existentes", escribieron los investigadores en la revista Advanced Science.
El enfoque también es mínimamente invasivo: se puede llegar al objetivo a través de pequeñas incisiones en la piel o aberturas naturales. El prototipo más pequeño desarrollado por el grupo tiene un diámetro similar al de los endoscopios terapéuticos comerciales (alrededor de 11-13 mm), lo suficientemente pequeño como para insertarlo en el tracto gastrointestinal; los investigadores dicen que podría ser aún más pequeño.
Instrumento versátil para la cirugía del futuro
Por lo tanto, F3DB debería superar con eficacia varios obstáculos importantes para las tecnologías de bioimpresión 3D existentes: elimina la necesidad de incubación in vitro de materiales vivos para madurar antes de la implantación quirúrgica; evita el desajuste de las interfaces entre los biomateriales impresos y las superficies objetivo; y permite un procedimiento mínimamente invasivo. El equipo cree que con un mayor desarrollo, dentro de cinco a siete años, la tecnología podría ser utilizada por profesionales médicos.
Los investigadores probaron su dispositivo dentro de un colon artificial, así como la impresión 3D de materiales de diferentes formas en la superficie de un riñón de cerdo. Los experimentos mostraron que las células no se vieron afectadas por el proceso y la mayoría de ellas permanecieron vivas después de la impresión. Continuaron creciendo normalmente: una semana después de la impresión, su número se había cuadruplicado.
El equipo también demostró la capacidad de F3DB para realizar cirugías endoscópicas en tejido porcino fresco. El dispositivo se ha mostrado prometedor para el desarrollo futuro de un instrumento quirúrgico versátil que evitaría la necesidad de múltiples instrumentos, reduciendo así el riesgo de infección y la duración del procedimiento.
En particular, la boquilla del cabezal de impresión se puede usar como una especie de bisturí eléctrico para marcar y luego cortar crecimientos cancerosos; Luego, el agua se puede dirigir a través de la boquilla para limpiar los tejidos, y la impresión 3D inmediata del biomaterial promoverá una curación más rápida.
Con la concesión de la patente provisional, los investigadores ahora planean realizar ensayos con animales vivos para demostrar su aplicación práctica. También planean incluir características adicionales como una cámara y un sistema de escaneo en tiempo real que permitirá reconstruir imágenes en 3D de tejidos en movimiento dentro del cuerpo.
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