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Impresion de organos 3D

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1 BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA LICENCIATURA EN MEDICINA DESARROLLO DE HABILIDADES EN EL USO DE LA TECNOLOGÍA LA INFORMACIÓN Y LA COMUNICACIÓN ENSAYANDO: “ÓRGANOS PARA EL FUTURO: IMPRESIÓN 3D” NOMBRES: BRUNO JONATHAN MIRON NÚÑEZ 201512761 JUAN DANIEL MÉNDEZ COCA 201511120 MARÍA FERNANDA MIGUEL CRUZ 201505872 CATEDRÁTICO: LILIAN GAONA OSORIO MARZO 2017

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2 RESUMEN Desde hace ya mucho tiempo uno de los muchos problemas que implica la realización de un trasplante radica en la excesiva escases de órganos muchas personas mueren en la espera de un órgano que jamás llega por esta razón día a día un sinfín de tecnologías surgen entre ellas la impresión 3D que se presenta como ciencia de opción para la creación de múltiples objetos de uso cotidiano entre los que se puede mencionar ropa material de uso industrial e incluso comida y ya que se menciona esto podemos estar seguros de que los inicios de las impresoras 3D no estaban precisamente dirigidos a la realización de prótesis ni mucho menos a la creación de órganos para trasplante hoy esto es quizá una nueva vertiente cuya finalidad es sin duda mejorar la calidad de vida de los pacientes y así mismo facilitar la práctica médica. La técnica que implica la creación de diversos objetos se basa en la superposición de material que se sigue hasta poderse moldear la forma adecuada en cuanto a material se ha optado por la aplicación de células madre lo cual aunque supone grandes avances también proporciona inmensas dificultades pues existe la posibilidad de desarrollo de tumores cancerígenos por mencionar algo. Así mismo debemos considerar que en todo ello existen implicaciones éticas y religiosas que implantan barreras además de que la idea de aplicación de la impresión 3D no termina de aceptarse por completo pues los expertos aun difieren en cuanto a posturas y aseguran que pasara todavía mucho tiempo para que esto llegue a ser una realidad.

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3 INTRODUCCIÓN La impresión 3D una tecnología de reciente entrada al mercado que si bien inicio como prometedora en el ámbito grafico e industrial hoy su uso promete mejorar la vida de muchas personas que por desgracia sufren de alguna discapacidad o se encuentran en estado crítico de salud es claro que hoy desarrollar esta tecnología resulta costoso pero estamos a poco de que esto se vuelva tan común como lo es tener una impresora de papel porque si bien vale la pena mencionar la idea de imprimir objetos 3D surge a partir del conocimiento acerca de una impresora normal aunque a diferencia de esta la nueva máquina tiene como objetivo leer o escanear un objeto e imprimirlo por agregado de capas sucesivas de diversos materiales. Ahora bien imagine un mundo en el cual los órganos puedan sustituirse tan fácil como lo es sustituir las piezas de un auto un mundo en el cual no existan personas esperando por un órgano que podría salvarles la vida un lugar donde no exista el riesgo de rechazos de trasplante por parte del receptor o donde podamos ayudar a que una enfermedad degenerativa no siga su curso o bien y porque no incluso tener la posibilidad de limitar el tratamiento con inmunosupresores de por vida pensar en todo ello parece una idea más que descabellada y resultaría fácil compararlo con un proyecto de ciencia y ficción pero debemos pensar que somos parte de una nueva era de tecnología que puede fusionar la ciencia con la ingeniera combinación capaz de generar tejidos que puedan funcionar fisiológicamente bien adecuados a las necesidades individuales de cada paciente desafortunadamente hasta el momento no podemos hablar aun como tal de una solución o un proyecto concreto porque es cierto que es el inicio y solo se cuenta con las bases de algo grande sin embargo si podemos mencionar que hemos conseguido avances de a poco como lo es la impresión de tejidos como vasos sanguíneos piel y cartílago que sin duda ya marcan la diferencia por otro lado es de considerar que la impresión 3D sigue estando limitada por el requisito más grande que es la materia prima tinta biológica que hasta el momento resulta complicado conseguir.

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4 LOS COMIENZOS DE LA IMPRESIÓN 3D La historia de las impresoras 3D inicia en 1984 cuando Alain Le Olivier de Witte y Jean Claude André presentan una patente para el proceso de estereolitografía 1 y empieza a crearse maquinaria con el fin de imprimir prototipos de maquetas para su posterior fabricación en serie para 1986 Charles Hull coloca a su empresa 3DSystems como líder en esta área. Entre 1989 y 1990 Scott Crump crea la técnica de Fused Deposition Modeling FDM que ya incluía el método de superposición de material que posteriormente era solidificado con la forma necesaria. En ese mismo año se utiliza en la aplicación de la fabricación aditiva para obtener patrones de fundición y en 1995 las impresoras son usadas para obtener herramientas de producción. Para la década de los 90´s un grupo de jóvenes consiguió modificar una impresora cotidiana y transformarla en una nueva impresora 3D lo que les abrió las puertas en las grandes industrias que se comenzaban en esta idea. Desafortunadamente uno de los problemas que se tuvo que enfrentar fue su alto costo y fue así que en 2005 en un intento por disminuirlos el Dr. Bowyer creo un nuevo dispositivo capaz de replicar la totalidad de sus piezas con lo que los costos en producción se abarataron momentáneamente así mismo se planeaba que el ensamblado no requiriera gran esfuerzo para que personas con la mínima capacidad técnica de construcción pudiera ensamblarla y hacerla funcionar. Posteriormente y hasta nuestros días siguen añadiéndose grandes industrias de diseño y manufactura que prometen seguir innovando la tecnología actual. 1984-2011 se vendieron 45000 impresoras en tanto que para el 2012 se vendió el mismo número en tan solo un año. 1 es un proceso de realización de prototipos rápidos de plástico sin usar moldes muy preciso y flexible que reproduce muchos detalles de las piezas a fabricar.

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5 IMPRESORAS 3D Son artefacto que permite la creación de objetos mediante la técnica de adición de material es decir se requiere de la superposición de capas de material para obtener lo que deseamos para ello se requiere de un molde que pueda ser reconocido por la impresora además del material necesario en cantidad adecuada el material utilizados generalmente es plástico ABS sin embargo cualquier material que sea estable en condiciones ambientales es candidato a ser utilizado por la impresora al decir cualquier material podemos asegurar que las células forman parte de esta descripción sin embargo la problemática recae en que no cualquier estirpe 2 celular resistiría el tratamiento por ello es que la utilización de células madre resulta prometedora puesto que además de que su reproducción es parte natural del desarrollo humano y se encuentran en todos los organismos multicelulares se distinguen por dos propiedades fundamentales: son autorrenovables es decir se multiplican infinitamente y se conservan indiferenciadas esto les da la capacidad de producir uno o varios tipos de células diferenciadas células cutáneas hepatocitos miocitos neuronas etc. y aunque durante muchos años se pensó que las células madre solo existían durante el desarrollo embrionario ahora se sabe que algunas células adultas mantienen aún su capacidad de renovar su progenie de aquí la importancia de su utilización en la impresión de órganos 3D pues en condiciones especializadas es posible controlar el crecimiento de estas células y conseguir la formación del órgano deseado además se plantea la posibilidad de utilizarlas como estrategia terapéutica en conjunto con el trasplante de órganos ya que reparan o reemplazan el tejido dañado o bien revierten una enfermedad o lesión. ÓRGANOS PARA TRASPLANTE Primero un trasplante es un método por el cual se implanta un órgano o tejido procedente de un donador a un receptor con el fin de sustituir un tejido u órgano dañado. Existen diferentes tipos de trasplante se habla de alotrasplante cuando el órgano procede de otro individuo de la misma especie autotrasplante cuando 2 Células derivadas de un cultivo primario o línea celular que tienen propiedades específicas.

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6 procede del mismo paciente y xenotrasplante cuando procede de un animal de otra especie. La realización de un trasplante involucra 2 grandes grupos de órganos el primero abarcar en general a todos aquellos con mayor tamaño y funcionalidad como lo son los riñones hígado pulmones páncreas córnea corazón hueso tubo digestivo etc. y el otro grupo involucra a los de tejidos como lo son la médula ósea células endocrinas piel entre otros. Los primeros requieren de intervenciones quirúrgicas complejas de la realización de diferentes pruebas inmunológicas histocompatibilidad y del uso de fármacos inmunosupresores ciclosporina corticoides dada la dificultad que supone evitar algún tipo de rechazo por parte del receptor mientras que en el caso de los tejidos el procedimiento es relativamente más simple pues basta con inyectar las células madre en el torrente sanguíneo dejando que éstas se implanten en sus lugares de destino y empiecen su reproducción. EL PROCESO DE UNA IMPRESIÓN 3D El hecho de que exista una bio impresión exitosa recae en la capacidad de llevar a cabo una selección adecuada de los biomateriales así mismo considerar que estos posean las propiedades necesarias para que existan la bio-compatibilidad y garantizar así la capacidad y funcionalidad de la impresión a largo plazo un ejemplo de esto es medir la viscosidad de los bio-materiales para así asegurar que los órganos tendrán la estructura deseada. Así pues ya se ha dicho que nuestra principal materia prima proviene de células madre a las cuales en el procesamiento 3D se les conoce como bio tinta analogía con la tinta real utilizada en una impresora común por lo regular las gotas de este material mide aproximadamente 250 micras de ancho una medida que debe ser muy precisa pues tanto la bio tinta como el “papel” de impresión juegan un papel muy importante en el proceso de fabricación. Hasta la fecha el más importante “bio papel” para impresión lo realizan los hidrogeles que son la base para construir la base del órgano a imprimir este material consta de biopolímeros naturales como lo son alginato gelatina colágeno fibrina ácido hialurónico así como muchos polímeros sintéticos como lo son

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7 PEG15 21 y Pluronic 57 los cuales han demostrado satisfacer las necesidades de resistencia y funcionamiento adecuado. En la actualidad se cuenta con dos tipos de técnicas para realizar la impresión la primera consiste en la construcción de unos andamios de polímeros bio-compatibles con el cuerpo humano que servirán como equipo de soporte la otra opción que es más complicada y un poco más tardía consiste en colocar todas las células del órgano deseado capa por capa en un bio-papel todo este proceso se lleva a cabo gracias a un ordenador automático. Aunque típicamente la impresión de órganos 3D puede describirse en tres pasos: 1. Pre-procesamiento para adquisición del modelo 3D de diseño asistido por ordenador del tejido a fabricar 2. Tratamiento automatizado de deposición de células y/o biomateriales 3. Post-procesamiento con maduración de las construcciones cargadas de células para reforzar las construcciones del tejido deseadas. Indudablemente la realización del proceso de impresión no termina con la colocación precisa de las células ya que después de la impresión los órganos y tejidos requieren un correcto y adecuado ambiente para poder sobrevivir con lo que podemos garantizar el buen funcionamiento de los órganos. La aplicación de las técnicas antes descritas sugieren un mundo de oportunidades en el campo medico entre las que podemos mencionar: 1. Personalización de instrumentos médicos de acuerdo al paciente o usuario. Pensar que cada 30 segundo muere un paciente que pudo haberse salvado con el trasplante de un órgano que jamás llego. 2. Disminución del desperdicio del material. 3. Abaratar costos en la producción del producto. 4. Fidelidad volumétrica de color y textura que se adecua al trasplante o bien es apto para la enseñanza.

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8 5. Esta tecnología permite evitar conflictos de bioseguridad disponibilidad e incluso algunos culturales y religiosos que pudieran presentarse en el curso de la producción de nuevos materiales de trabajo. Sin embargo también nos enfrentamos a verdaderas complicaciones durante el procesamiento de nuevos órganos entre ellas podemos mencionar: 1. La dificultad de proveer de un sistema vascular a los órganos fabricados lo cual se ha intentado solucionar con la implantación de múltiples capas de tejido de esta forma el oxígeno puede difundir hacia el órgano con mayor facilidad. 2. En cuanto a las guías visuales utilizadas en cirugía no es posible replicar las condiciones del paciente vivo con total precisión. 3. Obtención de la cantidad suficiente de células para poder regenerarlas cosa que está siendo solucionada con la utilización de nuestra bio tinta especial las células madre sin embargo esto plantea una nueva complicación pues se sabe que el desarrollo descontrolado de estas células puede conducir a la generación de tumores. 4. Los costos de las impresoras 3D siguen siendo hasta nuestros días bastante elevados el precio aproximado está por arriba de 1000 dólares sin embargo la mayor problemática no reside en los costos sobre material si no en el tiempo de producción que repercute en el uso de electricidad dado que el proceso puede llevar horas e incluso días. La impresión 3D actualmente trabaja con 700 millones de dolores de los cuales solo el 1.6 11 millones es invertido en aplicaciones médicas. Por lo anterior podemos asegurar que la impresión de órganos 3D resulta más complicado de lo que parece ya que no basta con colocar las células como uno quiera puesto que probablemente logremos como tal la estructura del órgano pero no la funcionalidad fisiológica que deseamos por lo que este proceso de colocación de células debe tener una técnica minuciosa y seguir el mapa anatómico guiando por la irrigación e inervación del órgano.

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9 DATO CURIOSO los primeros tejidos impresos en órganos 3D fueron los vasos sanguíneos de echo el construir una red vascular es el principal desafío a que se enfrentan las personas que realizan la construcción de órganos ya que es muy complicado fórmalos y conseguir que las células no mueran en el intento pero Thomas Boland de la Universidad de Clemson en Estados Unidos junto a Mironov logró imprimir estructuras tubulares ramificadas semejantes a la intrincada red vascular de un órgano. OTRAS APLICACIONES DE LA IMPRESIÓN 3D 1. Industria automotriz y manufacturera 2. Industria aeroespacial 3. Venta minorista 4. Deportes La tecnología de impresión 3D se puede usar para crear lapiceros pocillos juguetes piezas de aviones maquetas de arquitectura entre otras aplicaciones que no se agotan en la industria y el comercio. Aunque comenzaron usándose para la obtención de piezas en los sectores de la arquitectura y el diseño industrial poco a poco otras áreas se han ido interesando en su aplicación ya que utilizando los materiales adecuados se puede construir casi cualquier cosa. Impresora de cerveza. Zymatic diseñada por PicoBrew es una impresora 3D que permite elaborar distintas cervezas a partir de unos sobres llamados PicoPaks. Funciona introduciendo la cebada y el lúpulo 3 en un compartimento especial de la impresora 3D de cerveza. En unas horas el agua caliente extrae los azúcares del grano y el aroma del lúpulo. El mosto que resulta se introduce en el tanque de fermentación donde se añade el PicoPak con los ingredientes de la receta. Se deja fermentar de 5 a 7 días para después enfriarla. El dispositivo avisa cuando está listo.

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10 Vestimenta hecha a la medida La innovación en el campo de la moda utilizando la impresión 3D creándose modelos hechos a la medida de cada persona como vestidos camisetas y hasta ropa interior. Comida con diseños novedosos También se pueden modelar estructuras temporales como postres y dulces formados con una impresora 3D lográndose diseños artísticos imposible de hacer a mano. Así una compañía de Estados Unidos llamada The Sugar Lab ofrece diversos postres hechos de agua y azúcar endurecida comenzando un negocio de comida de lujo de gran aspecto y que cautiva con éxito el interés de los consumidores. DESVENTAJAS DE ESTAS APLICACIONES 1. Disminución de puestos de trabajo: La impresión de objetos de uso cotidiano por personas comunes puede acabar con las grandes empresas productoras de los mismos y cada vez menos personas obtendrán sus ingresos de los objetos que solían vender. 2. Vulnerabilidad de los derechos de autor: La réplica de objetos con copyright será difícil de controlar pues los escáneres 3D permiten la réplica de cualquier objeto. 3. Usos malintencionados de la tecnología: Lamentablemente existe la posibilidad de crear objetos tales como armas de fuego entre otras muchas cosas que abren las puertas al mercado negro 4. Aumento de la creación de productos inútiles 5. Considerando que si alguna persona se lastima o lastima a alguien más con algún objeto obtenido de las empresas de producción 3D los problemas éticos claramente involucrarían a quienes hayan creado el artefacto. VENTAJAS 1. Reducción de tiempo en el desarrollo de productos

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11 Si bien la impresión 3D surge como una nueva técnica que promete innovar la medicina y su aplicación así como distintas áreas de nuestra vida cotidiana pero es bien sabido que no todo el mundo apoya su aplicación y otros tantos están preocupados por las repercusiones que alterar la naturaleza traerá consigo algunos expertos opinan:  “Esta es una emocionante y nueva área en la medicina. Tiene el potencial para convertirse en un progreso muy importante” - Dr. Jorge Rakela una gastroenterólogo en la Mayo Clinic de Phoenix Arizona y miembro del comité asesor médico de la American Live Foundation.  Un director de investigación en Gartner Inc. la empresa de investigación y consultoría en tecnología de información cree que la bio-impresión 3D avanza tan rápidamente que incitará un debate ético de gran escala.  “Instalaciones dedicadas a la bio-impresión 3D de órganos y tejidos humanos avanzará mucho más rápido que la comprensión y aceptación general de las ramificaciones de esta tecnología”- Pete Basiliere en un reporte reciente.  “Estas iniciativas tienen buenas intenciones pero generan un número de preguntas que siguen sin respuesta” – Basiliere. “¿Qué pasa cuando órganos complejos ‘mejorados’ y con células no humanas son creados ¿Quién controlará la habilidad para producirlos ¿Quién asegurará la calidad de estos productos”  “Es probable que estos órganos bio-impresos sean costosos lo cual los pondría fuera del alcance de todos menos los pacientes más ricos”.  A pesar de estos problemas se espera pronto tener una rápida y efectiva solución para así poder elaborar órganos mucho más complejos y funcionales y que puedan estar al acceso de todas las personas sin importar los recursos económicos que tengan las personas.

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12 CONCLUSIONES La impresión de órganos en 3D es una de las propuestas tecnológicas más innovadoras que la medicina pueda utilizar para el beneficio de muchas personas es la esperanza de todos aquellos que requieren de una prótesis o de un órgano para trasplante sin embargo aún no podemos decir que la impresión de órganos en 3D sea cien por ciento una realidad porque aunque es cierto que los investigadores han probado diferentes técnicas de bio-impresión y nos han demostrado que el futuro de la ingeniería en tejidos puede cambiar con la incorporación de los nuevos materiales para la bio-impresión que aseguran la viabilidad celular y lo más importante el funcionamiento del órgano no descartamos que todo ello es una iniciativa que sigue en proceso de afinarse y que como afirman expertos pasaran todavía algunos años más en conseguirse los objetivos planteados mismos por los cuales organizaciones enteras e investigadores se han propuesto alcanzar por ello se espera obtener los mejores resultados lo antes posible con el único objetivo de mejorar la calidad de vida de los pacientes.

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13 BIBLIOGRAFÍA Karla Maribel Ortiz Chimbo Harry Luna Aveiga José Medina Moreira y Robin Leonardo Soledispa Tumbaco 2016: “Los beneficios de las impresoras 3D como herramienta de innovación en la medicina” Revista Caribeña de Ciencias Sociales junio 2016. En línea: http://www.eumed.net/rev/caribe/2016/06/3d.html http://hdl.handle.net/20.500.11763/CARIBE-2016-06-3d Bucco. M. junio 2016. “La impresión 3D y su aplicación en los servicios médicos prótesis fármacos y órganos”. De Universidad de San Andrés Sitio web: http://repositorio.udesa.edu.ar/jspui/bitstream/10908/11878/1/5bP5d5bW5 d20T.M.20Ges.20Bucco2c20Mariano.pdf Inzunza. O Caro. I Mondragón. G Baeza. F Burdiles. A Salgado. G. 2015. “La impresión 3D nueva tecnología que apoya la docencia anatómica” de Scielo Sitio web: http://www.scielo.cl/scielo.phppidS0717- 95022015000300059scriptsci_arttexttlngpt Carnevale R. 2010. “La impresora de órganos Ficciones y realidades de la producción de tejidos artificiales” De Química viva Sitio web: http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/v9n2/carnevale.pdf Altabas. A. 2014. “El futuro de la impresión en 3D: órganos humanos”. De iber caja obra social Sitio web: https://aulaenred.ibercaja.es/wp- content/uploads/Reporteros15_bac_1_ciencia.pdf Yu Shrike ZhangKan YueJulio AlemanKamyar Mollazadeh- MoghaddamSyeda Mahwish BakhtJingzhou YangWeitao JiaValeria Dell’ErbaPribp andao AssawesSu Ryon ShinMehmet Remzi DokmeciRahmi OkluAli Khademhoss eini. 2016. “3D Bioprinting for Tissue and Organ Fabrication”. De Annals of Biomedical Engineering Sitio web: http://www.bibliocatalogo.buap.mx:5274/openurlsidEBSCO3aedsgaogenre articleissn00906964volume45issue1date20170101spage148pages 148- 163titleAnnals+of+Biomedical+Engineeringatitle3D+Bioprinting+for+Tissue+a

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14 nd+Organ+FabricationaulastZhang2c+Yu+ShrikeidDOI3a10.10072fs10 439-016-1612-8siteftf-live Martín. A. 2016. “Órganos impresos en 3D el futuro de los trasplantes”. De Omicrono Sitio web: http://omicrono.elespanol.com/2016/04/organos-impresos-en- 3d/ El Heraldo. 2016. “Impresión de órganos 3D revoluciona la medicina”. De El Heraldo Sitio web: https://www.elheraldo.co/entretenimiento/impresion-de-organos- en-3d-revoluciona-la-medicina-245316

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