La tecnología de impresión 3D sin duda nos ha maravillado en los últimos años, por sus casi infinitas posibilidades: desde imprimir objetos pequeños y sencillos a crear viviendas completas con todo su mobiliario y accesorios. Quizá todavía no podamos hacer volar los monopatines —aunque científicos de la Universidad de París han conseguido aplicar los campos magnéticos y la superconductividad para desarrollar un prototipo que logra algo parecido—. O puede que no tengamos pizzas deshidratadas ni ropa que se ajuste a nuestra talla, pero en cuestión de impresión 3D y biotecnología, la realidad y la ciencia van casi más rápido que la ficción; e incluso más que la regulación transnacional que debe permitir la aplicación de sus nuevos avances en pacientes reales.

Es por eso que las empresas del sector trabajan de la mano con los propios organismos de regulación. Así, el trabajo de equipos de investigación de todo el mundo llegará a la sociedad en su conjunto lo antes posible, y con todas las garantías de seguridad. Países como México ya permiten a Regemat 3D implantar una rodilla completamente funcional generada por bioimpresión 3D. Organismos como la ESA y el CSIC trabajan también con esta empresa granadina, en aplicaciones como la curación de heridas en gravedad cero o la regeneración de huesos en vertical.

Pero… ¿en qué consiste la bioimpresión?

La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, es el motor de importantes innovaciones en diversas áreas de conocimiento e investigación, incluso en el campo de la expresión artística. Se basa en el uso de ordenadores para ayudar en la creación, modificación, análisis u optimización de un diseño. A esto se le da el nombre de diseño asistido por computadora o CAD, por sus siglas en inglés (computer-aided design). Esta práctica fue desarrollada por el ingeniero francés Pierre Bézier, allá por 1966, y sigue en vigor hasta nuestros días.

Pero ¿con qué herramientas trabajan estos ordenadores? Pues además de software de modelado 3D, usan programas de dibujo en dos dimensiones. Estos programas se basan en entidades geométricas vectoriales como son los polígonos, las líneas, los puntos o los arcos. Estas formas permiten usar una interfaz gráfica con la que diseñar una base a la que las herramientas de modelado 3D añadirán posteriormente superficies y elementos sólidos tridimensionales. Luego, partiendo de esa base, se puede añadir color, definición geométrica, materiales adicionales, etc. Para acabar, se renderiza el proyecto para obtener una previsualización realista de cuál será el resultado. De la combinación de esta tecnología con los avances en creación de biomateriales y la investigación en el propio campo de la biología, nace la bioimpresión.

Los avances recientes han permitido la impresión 3D de materiales, células y estructuras biocompatibles y biodegradables en tejidos vivos funcionales mediante la donación autóloga de células madre (es decir, se extraen del propio paciente en el que se van a usar). Esto se está aplicando a la medicina regenerativa y para imprimir tejidos u órganos adecuados para trasplantes. En comparación con la impresión no biológica, implica complejidades adicionales como la elección de materiales, tipos de células, factores de crecimiento y diferenciación, y desafíos técnicos relacionados con la sensibilidad de las células vivas y la construcción de tejidos.

Para conseguirlo, ha sido necesario integrar tecnologías de la ingeniería, la ciencia de los biomateriales, la biología celular, la física y la medicina. Y ya se ha utilizado con éxito para la generación y el trasplante de varios tejidos, como la piel multicapa, el hueso, los injertos vasculares, las férulas traqueales, el tejido cardíaco y las estructuras cartilaginosas. Otras aplicaciones incluyen el desarrollo de modelos de tejidos bioimpresos en 3D para la investigación, el descubrimiento de fármacos y la toxicología.

Aplicando la bioimpresión a la investigación científica

Manuel Figueruela, director ejecutivo de Regemat 3D, nos cuenta cómo es el proceso que siguen desde que contactan con un grupo de investigación científica. El procedimiento comercial comienza con el asesoramiento y la venta consultiva. Contactan con los grupos de investigación, que ponen en su conocimiento su área de investigación y les explican cómo quieren llevarla a cabo. Ellos les asesoran respecto a la configuración específica de las bioimpresiones para su investigación en particular, para el tipo celular que van a utilizar, respecto al tipo de biomateriales que necesitan usar en todo el proceso..., entre otros aspectos. Es más, como desarrollan tanto hardware como software propios, pueden crear herramientas e implementaciones específicas para cada proyecto. Por ejemplo, con la Universidad de Gante han desarrollado una jeringuilla coaxial que les permite trabajar con dos biomateriales a la vez sin mezclarlos. También han diseñado para un proyecto concreto una jeringuilla que permite trabajar con materiales a alta temperatura (hasta 250 grados).

Una vez los investigadores tienen a su disposición la impresora, establecen un proceso de colaboración en el desarrollo de la investigación, ya que les asignan un project manager que los acompaña en todo el proceso. De este modo, pueden ir adaptando la máquina a sus necesidades. Gracias a estos procesos de colaboración, Regemat 3D cumple un objetivo que está por encima de la venta de máquinas: validar sus bioimpresoras gracias al conocimiento de los investigadores, para imprimir piel, córnea, cartílagos, etc. De este modo, son los propios grupos de investigación quienes validan su tecnología de bioimpresión para estas aplicaciones y, en el futuro, muchas otras más.

La bioimpresión y el compromiso social

Sin lugar a dudas, la bioimpresión 3D cumple una labor social muy importante. Permite mejorar la calidad de vida de los pacientes, que en muchas ocasiones conviven con enfermedades para las que esta tecnología habilitadora ya puede contar con una potencial solución. Los materiales empleados, biocompatibles y biodegradables, no dejan restos en el cuerpo humano una vez cumplida su función. Y esto también supone una gran mejora respecto a otro tipo de trasplantes, que sí generan residuos potencialmente peligrosos para la salud del receptor. La posibilidad, por ejemplo, de crear un ecosistema tumoral para la investigación contra el cáncer hace que la bioimpresión también pueda salvar vidas.

Por otro lado, la crisis de la COVID-19 ha visibilizado el funcionamiento de los ensayos y la experimentación clínica. Tradicionalmente, la experimentación se ha hecho mediante ensayos in vitro, testeo en animales y posteriormente, si son exitosos, en humanos. Pero no siempre se reproducen en modelos humanos los resultados obtenidos con animales. Al imprimir tejido humano evitamos ese salto al probar los fármacos. Según Manuel Figueruela, en la fase de desarrollo de un nuevo fármaco hay una parte de testado en animales. Ellos lo están obviando, porque le dan a los investigadores y farmacéuticas la posibilidad de testar directamente sobre tejido humano. Para ellos es interesante, porque el paso de modelo animal a modelo humano es donde más invierten y además, lo hacen sin garantía de resultados, porque somos muy parecidos pero no idénticos a los animales. Otras veces se descartan moléculas que no han dado resultado en animales y podrían darlo en humanos.

Realidad y futuro de la bioimpresión

A Manuel le suelen preguntar en sus conferencias si la bioimpresión es más ciencia ficción que realidad. Él responde que cada día es más ciencia sin ficción y, aunque todavía estamos lejos de poder imprimir órganos complejos, ya es posible imprimir una rodilla nueva para quien la necesite, regenerar el tejido necrosado del corazón o incluso crear material para experimentar tratamientos contra el cáncer. La bioimpresión persigue, mediante la regeneración de tejidos, aportar soluciones para mejorar la vida del paciente, o directamente salvarle. Cada órgano es diferente y extremadamente complejo, en especial algunos como el corazón o los pulmones. Por ejemplo, para imprimir un corazón es necesario el uso de cardiomiocitos, un tipo de células de muy complejo control, ya que pueden provocar, entre otras incidencias, arritmias.

¿En qué dirección tiene que avanzar todavía la investigación? Precisamente, en conseguir validar la funcionalidad de órganos completos una vez implantados y testar que no provoquen daños irreversibles al paciente. Pero sí se puede ya imprimir cartílago, no solo gracias a las bioimpresoras sino también a los biorreactores. Con las impresoras pueden lograrse estructuras que imitan a un tejido, pero no tejidos como tal. En su laboratorio de Granada, por ejemplo, Regemat 3D ha logrado patentar un biorreactor de rodilla. Imprimen la rodilla del paciente, con la propia patología del paciente. En la zona del cartílago dañado, dentro de la rodilla del paciente, se inserta el «scaffold» con sus células. En laboratorio, mientras, reproducen los movimientos de carga, torsión o desplazamiento. También reproducen todas las condiciones de temperatura y funcionalidad que se dan en esa rodilla «in vivo». Pero esta fase se realiza desde el laboratorio, de modo que después de someter el andamiaje a ese proceso de biorreacción se obtiene un cartílago preparado para ser implantado. Se trata de un avance que está muy cerca ya de poder ser usado en clínicas.

Pero la bioimpresión tiene otros límites. Uno de ellos es la impresión de órganos completos. Y aunque en teoría sería posible en un futuro lejano, imprimir réplicas de nosotros mismos pero más jóvenes (y esto sí que puede parecer sacado de una novela de ciencia ficción), es algo que no se plantean los científicos del sector. Antes tienen que abordar retos como crear tejidos y órganos suficientes para compensar el envejecimiento de la población. Sí se está trabajando en la impresión de médula espinal, hígado, riñón y otros tejidos, algo que sin duda ayudará a este laboratorio granadino (referencia internacional en el sector) a salvar muchas vidas.