Tendencias e innovaciones en la impresión 3D biomédica
Estamos inmersos en una revolución de la impresión 3D. Aunque en sus inicios solo estaba al alcance de las principales universidades de investigación y de las empresas de la lista Fortune 500, la tecnología de impresión 3D se ha generalizado, con 2,2 millones de unidades de impresoras 3D enviadas en 2021 . Se prevé que esta cifra aumente hasta los 21,5 millones en 2030, acercando esta tecnología de prototipado rápido al gran público.
Prácticamente todos los sectores importantes, desde la industria aeroespacial hasta la construcción, aprovechan la tecnología de impresión 3D para una fabricación rápida y rentable. De todas las industrias que están adoptando el potencial de la impresión 3D, la ingeniería biomédica es la que ofrece mayores posibilidades de aplicación. En este artículo, exploraremos el auge de la impresión 3D en la atención sanitaria y la medicina.
Cómo empezó todo: la historia de la impresión 3D
Cuando el inventor japonés Hideo Kodama presentó la primera patente de un “ dispositivo de prototipado rápido ” en 1981, el concepto parecía condenado al fracaso desde el principio, ya que el Dr. Kodama dejó de financiar la patente al año siguiente. Sin embargo, la idea sirvió de catalizador para nuevas innovaciones. En 1984, Charles Hall presentó una patente para un sistema de estereolitografía (SLA), una tecnología de impresión 3D muy utilizada hoy en día. La primera impresora 3D comercial apareció en 1988, basada en la innovadora tecnología SLA.
Pronto surgieron otras tecnologías clave de impresión 3D. A finales de la década de 1980, ya se habían registrado patentes para otros dos tipos de dispositivos de fabricación aditiva: el modelado por deposición fundida (FDM) y el sinterizado selectivo por láser (SLS). El FDM funciona mediante una técnica llamada extrusión, en la que una boquilla deposita el material calentado capa a capa para construir el producto en 3D. El SLS funciona de forma algo distinta; el proceso consiste en extender capas de material en polvo sobre la plataforma de construcción, seguidas de la rápida solidificación (o «sinterización») de cada capa del producto impreso en 3D. Posteriormente, la «inyección» (una versión modificada de la tecnología de impresión de inyección de tinta 2D) y la fotopolimerización en cuba aparecieron poco después.
Estas tecnologías estaban originalmente limitadas a los titulares de las patentes. Sin embargo, con la expiración de dichas patentes y la invención del concepto de código abierto RepRap, nuevas empresas pueden ahora hacerse un nombre en este apasionante campo. Muchos de los mayores avances se han producido en el ámbito de la biomedicina, incluido el desarrollo del primer órgano impreso en 3D para cirugía de trasplante: una vejiga.
Hoy en día, la impresión 3D para aplicaciones biomédicas está en auge. El tamaño del mercado mundial de la impresión 3D biomédica se estimó en 1450 millones de dólares en 2021 y se espera que aumente hasta aproximadamente 6210 millones de dólares en 2030. Para descubrir las tendencias clave en la impresión 3D biomédica, analizamos los datos de la CAS Content Collection™, la mayor colección de conocimientos científicos publicados curada por expertos humanos.
Tecnologías y materiales en la impresión 3D
La impresión 3D se divide en cuatro grandes categorías: fusión en lecho de polvo, inyección, extrusión y fotopolimerización. Debido a la diversidad de aplicaciones, no existe una tecnología de impresión 3D «única para todo». Sin embargo, las tecnologías basadas en la extrusión, como el FDM, siguen siendo los tipos de impresión 3D biomédica más populares (Figura 1).
Desde plásticos y metales hasta sustancias naturales, se puede utilizar una amplia gama de materiales en la impresión 3D biomédica. Los polímeros sintéticos como la policaprolactona y el ácido poliláctico se encuentran entre los materiales de impresión 3D más utilizados (Figura 2), debido a sus aplicaciones en microfluídica y implantes médicos . La sustancia inorgánica más utilizada es la hidroxiapatita, que se emplea como material dental y como relleno para reparación ósea. Diversos polímeros naturales como el alginato y el ácido hialurónico están ganando popularidad en la bioimpresión.
El auge de la impresión 3D biomédica
Las tendencias anuales de publicaciones en revistas y patentes sobre aplicaciones de impresión 3D biomédica indican que la innovación en este ámbito está en auge, aunque el número de publicaciones en revistas fue considerablemente mayor (aproximadamente 15.000) que el de patentes (aproximadamente 5.700) (Figura 3). Esta tendencia puede reflejar la creciente comercialización de la tecnología en los últimos años.
Aproximadamente 90 países han publicado artículos sobre aplicaciones de impresión 3D biomédica, lo que sugiere un interés generalizado en esta tecnología. De estas naciones, Estados Unidos y China lideran el camino, al contar con el mayor número de publicaciones tanto en revistas como en patentes (Figuras 4 y 5).
Al desglosar la tendencia de la impresión 3D biomédica por titulares de patentes, observamos que la mayoría han sido asignadas a 3M, una empresa con sede en EE. UU. Otros países activos en la publicación de patentes incluyen Corea, Liechtenstein, Francia y China (Figura 6).
Aplicaciones innovadoras de la impresión 3D biomédica
Ya hemos destacado algunas aplicaciones clave de la impresión 3D biomédica, pero las posibilidades son ilimitadas. Desde el desarrollo de implantes médicos hasta la fabricación de equipos médicos, las innovaciones se suceden rápidamente. La ingeniería de tejidos y órganos es una aplicación importante de la impresión 3D, explorándose la fabricación de estructuras complejas como cartílago, músculo y piel . El análisis de la CAS Content Collection muestra que conceptos como "ingeniería de tejidos", "andamios tisulares" y "bioimpresión" aparecen con frecuencia en publicaciones sobre impresión 3D biomédica relacionadas con tejidos y órganos, lo que subraya que se trata de un área de investigación clave (Figura 7).
La tecnología de impresión 3D también tiene varias aplicaciones potenciales en farmacia para ayudar a hacer realidad el esquivo objetivo de la medicina personalizada. Mediante la impresión 3D biomédica, podría ser posible modificar y ajustar con precisión la dosis, la forma, el tamaño y las características de liberación de los productos farmacéuticos.
La tecnología de impresión 3D biomédica también ha abierto nuevas capacidades en la creación de prótesis e implantes, con el potencial de crear prótesis personalizadas según la anatomía, el color, la forma y el tamaño del paciente. Los materiales flexibles han ofrecido más opciones para partes del cuerpo y funcionalidades, mientras que metales como la aleación de titanio pueden utilizarse en la reconstrucción ósea . El análisis de la CAS Content Collection muestra que conceptos como "implantes protésicos", "materiales protésicos" e "implantes dentales" aparecen con frecuencia en publicaciones de impresión 3D relacionadas con la ortopedia y las prótesis (Figura 8). Aunque hay notablemente menos publicaciones en comparación con los tejidos y órganos, sigue siendo un campo dinámico y en rápido crecimiento.
Desafíos en la impresión 3D biomédica
Aunque hemos visto muchos avances interesantes en la impresión 3D biomédica, en muchas áreas la tecnología aún se encuentra en sus primeras etapas. Por ejemplo, los investigadores han logrado bioimprimir parches cardíacos vascularizados, pero la fabricación de una válvula cardíaca robusta (por no hablar de un órgano a gran escala) aún está lejos de ser una realidad. Actualmente, las impresoras 3D simplemente no pueden fabricar tejidos con la biomecánica y funcionalidad de los reales. Los avances en biotintas y el uso de medios y células madre contribuirán probablemente a la futura optimización de estos métodos.
El futuro de la impresión 3D biomédica
Si las tendencias actuales de investigación sirven de referencia, podemos esperar una inversión e innovación continuas y significativas en la impresión 3D biomédica. Prevemos que la tecnología se generalizará, y el concepto de impresoras 3D utilizadas en farmacias se está convirtiendo en una posibilidad cercana. Aunque la impresión 3D biomédica representa una inversión financiera importante para los hospitales, los beneficios pueden superar con creces los costes con una planificación adecuada. A medida que la tecnología crece, existe la necesidad de una terminología estandarizada y de que la Administración de Alimentos y Medicamentos defina un nuevo marco regulatorio que garantice la seguridad y eficacia de los productos de impresión 3D biomédica.
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