Nueva herramienta para cirujanos: corazón bioimpreso en 3D

Un modelo de corazón bioimpreso en 3D desarrollado por Adam Feinberg y su equipo. Crédito: Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon

El profesor de ingeniería biomédica Adam Feinberg y su equipo han creado el primer modelo de corazón humano bioimpreso en 3D de tamaño completo utilizando su técnica Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH). Mostrado en un video reciente (a continuación) por la American Chemical Society y creado a partir de datos de resonancia magnética utilizando una impresora 3D especialmente construida, el modelo imita la elasticidad del tejido cardíaco y las suturas de manera realista. Este hito representa la culminación de dos años de investigación, que promete tanto a los cirujanos como a los médicos, así como implicaciones a largo plazo para el futuro de la investigación de órganos mediante bioingeniería.

La técnica FRESH de bioimpresión en 3D se inventó en el laboratorio de Feinberg para satisfacer una demanda no satisfecha de polímeros blandos impresos en 3D, que carecen de la rigidez para resistir sin soporte como en una impresión normal. La impresión FRESH 3D utiliza una aguja para inyectar bioink en un baño de hidrogel blando, que sostiene el objeto mientras se imprime. Una vez terminado, una simple aplicación de calor hace que el hidrogel se derrita, dejando solo el objeto bioimpreso en 3D.

Si bien el laboratorio de Feinberg ha demostrado tanto la versatilidad como la fidelidad de la técnica FRESH, el principal obstáculo para lograr este hito fue imprimir un corazón humano a gran escala. Esto requirió la construcción de una nueva impresora 3D hecha a medida para sostener un baño de soporte de gel lo suficientemente grande como para imprimir en el tamaño deseado, así como pequeños cambios de software para mantener la velocidad y fidelidad de la impresión.

Bioimpresión 3D de un corazón

Una aguja imprime el alginato en un baño de hidrogel, que luego se derrite para dejar el modelo terminado. Crédito: Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon

Los hospitales importantes a menudo tienen instalaciones para imprimir modelos en 3D del cuerpo de un paciente para ayudar a los cirujanos a educar a los pacientes y planificar el procedimiento real; sin embargo, estos tejidos y órganos solo se pueden modelar en plástico duro o goma. El corazón del equipo de Feinberg está hecho de un polímero natural suave llamado alginato, lo que le confiere propiedades similares al tejido cardíaco real. Para los cirujanos, esto permite la creación de modelos que pueden cortar, suturar y manipular de manera similar a un corazón real. El objetivo inmediato de Feinberg es comenzar a trabajar con cirujanos y médicos para afinar su técnica y asegurarse de que esté lista para el entorno hospitalario.

“Ahora podemos construir un modelo que no solo permite la planificación visual, sino que también permite la práctica física”, dice Feinberg. “El cirujano puede manipularlo y hacer que realmente responda como tejido real, de modo que cuando ingresen al sitio de la operación tengan una capa adicional de práctica realista en ese entorno”.

Datos de imágenes cardíacas bioimpresas en 3D

El modelado incorpora datos de imágenes en el objeto final impreso en 3D. Crédito: Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon

Este artículo representa otro marcador importante en el largo camino hacia la bioingeniería de un órgano humano funcional. Los andamios blandos y biocompatibles como el creado por el grupo de Feinberg pueden algún día proporcionar la estructura sobre la cual las células se adhieren y forman un sistema de órganos, colocando la biomedicina un paso más cerca de la capacidad de reparar o reemplazar órganos humanos completos.

“Si bien aún existen obstáculos importantes en la bioimpresión de un corazón humano funcional de tamaño completo, estamos orgullosos de ayudar a establecer su base fundamental utilizando la plataforma FRESH mientras mostramos aplicaciones inmediatas para simulación quirúrgica realista”, agregó Eman Mirdamadi, autor principal de la publicación.

Publicado en Ciencia e Ingeniería de Biomateriales ACS, el artículo fue coautor de los estudiantes de Feinberg Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski, Rachelle N. Palchesko y el ex alumno Eman Mirdamadi.

Referencia: “FRESH 3D Bioprinting a Full-Size Model of the Human Heart” por Eman Mirdamadi, Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski, Rachelle N. Palchesko y Adam W. Feinberg, 23 de octubre de 2020, Ciencia e ingeniería de biomateriales ACS.
DOI: 10.1021 / acsbiomaterials.0c01133