Tendencias e innovaciones de la impresión 3D en biomedicina
Estamos inmersos en una revolución de la impresión 3D. La tecnología de impresión 3D, que antes solo estaba al alcance las principales universidades dedicadas a la investigación y de empresas de la clasificación Fortune 500, se ha convertido en un fenómeno generalizado, y en 2021 se han vendido 2,2 millones de unidades de impresoras 3D. Se espera que en 2030 esta cifra alcance los 21,5 millones, lo que acercará al gran público esta tecnología de creación rápida de prototipos.
Se diría que todos los sectores clave, desde la industria aeroespacial a la construcción, utilizan la tecnología de impresión 3D para diseñar procesos de fabricación más rápidos y rentables. De todos los sectores que están usando la impresión 3D, la ingeniería biomédica presenta el mayor potencial para sus aplicaciones. En este artículo analizaremos el auge de la impresión 3D en el ámbito sanitario y la medicina.
Cómo empezó todo: la historia de la impresión 3D
Cuando el inventor japonés Hideo Kodama presentó en 1981 la primera patente de un “dispositivo de creación rápida de prototipos”, el concepto parecía estar condenado al fracaso desde el principio, ya que el Dr. Kodama dejó de financiar la patente el año siguiente. Con todo, la idea sirvió de catalizador para futuras innovaciones. En 1984, Charles Hall presentó una patente de un sistema de estereolitografía (SLA), una tecnología de impresión 3D que se ha usado con mucha frecuencia hasta la actualidad. En 1988 se comercializó la primera impresora 3D, basada en la innovadora tecnología SLA.
Pronto surgieron otras tecnologías clave de impresión 3D. A finales de la década de 1980, se habían presentado patentes para otros dos tipos de métodos de fabricación aditiva: el modelado por deposición fundida (FDM) y la fusión selectiva por láser (SLS). El FDM funciona con una técnica denominada extrusión, en la que una boquilla deposita el material fundido capa por capa para crear el producto 3D. La SLS funciona de otra manera: el proceso comienza con el vertido de capas de material en polvo sobre la plataforma de construcción y, a continuación, tiene lugar un proceso de solidificación rápida (o sinterización) de cada una de las capas del producto impreso en 3D. Posteriormente, aparecieron la impresión PolyJet (una versión modificada de la tecnología de impresión por inyección de tinta 2D) y la fotopolimerización en tanque.
El uso de estas tecnologías estaba inicialmente limitado a los titulares de las patentes. Ahora, con el vencimiento de dichas patentes y la invención del concepto de código abierto de RepRap, otras empresas pueden abrirse camino en este apasionante campo. Muchos de los avances más importantes han tenido lugar en el ámbito de la biomedicina, incluido el desarrollo del primer órgano impreso en 3D para un trasplante: una vejiga.
Actualmente, la impresión 3D para aplicaciones biomédicas está en plena expansión. Se ha estimado que en 2021 el tamaño del mercado mundial para la impresión 3D en biomedicina fue de 1450 millones de dólares y se espera que llegue a unos 6210 millones en 2030. Para descubrir las principales tendencias en impresión 3D en biomedicina, hemos analizado datos procedentes de CAS Content Collection™, la mayor colección de conocimientos científicos publicados seleccionada por expertos.
Tecnologías y materiales empleados en la impresión 3D
La impresión 3D se divide en cuatro grandes categorías: fusión de capas de polvo, PolyJet, extrusión y fotopolimerización. Dada la diversidad de las aplicaciones, no existe una única tecnología de impresión 3D que funcione en todos los casos. No obstante, las tecnologías basadas en la extrusión, como el FDM, siguen siendo el tipo de impresión 3D más empleado en biomedicina (figura 1).
Desde plásticos y metales hasta sustancias naturales, en la impresión 3D para la biomedicina se puede emplear una amplia variedad de materiales. Los polímeros sintéticos, como la policaprolactona y el ácido poliláctico, se encuentran entre los materiales de impresión 3D usados con más frecuencia (figura 2), debido a sus aplicaciones en microfluidos y en implantes médicos. La hidroxiapatita es la sustancia inorgánica empleada con más frecuencia y se utiliza como material dental y de relleno para la reparación ósea. Diversos polímeros naturales, como el alginato y el ácido hialurónico, están ganando popularidad en la bioimpresión.
El auge de la impresión 3D en el ámbito de la biomedicina
Las tendencias anuales que muestran las publicaciones de revistas y patentes sobre las aplicaciones biomédicas de la impresión 3D indican que la innovación en este ámbito está en pleno crecimiento, pese a que el número de publicaciones en revistas fue muy superior (aproximadamente 15 000) al de publicaciones de patentes (aproximadamente 5700) (figura 3). Esta tendencia podría ser un reflejo del crecimiento de la comercialización de la tecnología en los últimos años.
Aproximadamente 90 países han publicado artículos sobre las aplicaciones biomédicas de la impresión 3D, lo que revela un interés generalizado en esta tecnología. De estas naciones, EE. UU. y China están a la cabeza, ya que cuentan con el mayor número de publicaciones tanto de revistas como de patentes (figuras 4 y 5).
Al analizar la tendencia de la impresión 3D en biomedicina en lo que respecta a los cesionarios de patentes, constatamos que la mayoría de las patentes han sido cedidas a 3M, una empresa con sede en EE. UU. Otros de los países activos en cuanto a la publicación de patentes son Corea, Lichtenstein, Francia y China (figura 6).
Aplicaciones innovadoras de la impresión 3D en biomedicina
Aunque ya hemos destacado algunas de las principales aplicaciones biomédicas de la impresión 3D, las posibilidades son realmente ilimitadas. Desde la creación de implantes médicos a la fabricación de equipos médicos, las innovaciones se suceden sin descanso. La ingeniería de tejidos y órganos es una de las principales aplicaciones de la impresión 3D, y se está explorando la fabricación de estructuras complejas como los cartílagos, los músculos y la piel. El análisis de la CAS Content Collection revela que conceptos como “ingeniería tisular”, “andamio tisular” y “bioimpresión” aparecen con frecuencia en publicaciones sobre impresión 3D en biomedicina relativas a tejidos y órganos, lo que indica que se trata de un área de investigación prioritaria (figura 7).
Asimismo, la tecnología de impresión 3D puede tener diversas aplicaciones en el sector farmacéutico para ayudar a hacer realidad el esquivo objetivo de la medicina personalizada. El uso de la impresión 3D en biomedicina podría permitir la modificación y el ajuste de la dosis, la forma, el tamaño y las características de liberación de los productos farmacéuticos.
La tecnología de impresión 3D en biomedicina también ha abierto nuevas posibilidades para la creación de prótesis e implantes y permite crear prótesis personalizadas y adaptadas a la anatomía, el color, la forma y el tamaño del paciente. Los materiales flexibles han ampliado el abanico de opciones en cuanto a partes del cuerpo y prestaciones, mientras que los metales, como la aleación de titanio, se pueden utilizar en la reconstrucción ósea. Los análisis de la CAS Content Collection revelan que conceptos como “implantación de prótesis”, “materiales protésicos” e “implantes dentales” aparecen con frecuencia en publicaciones sobre impresión 3D relativas a ortopedia y prótesis (figura 8). Pese a que se encontraron muchas menos publicaciones que en el campo de los tejidos y órganos, este es un ámbito dinámico que crece con rapidez.
Desafíos de la impresión 3D en el ámbito de la biomedicina
Aunque se han producido extraordinarios avances en la impresión 3D aplicada a la biomedicina, en muchos aspectos esta tecnología se encuentra aún en su fase inicial. Por ejemplo, aunque los investigadores han conseguido bioimprimir parches cardíacos vascularizados, producir una válvula cardíaca robusta o un órgano a tamaño natural está aún muy lejos de ser viable. Actualmente, las impresoras 3D no pueden fabricar tejidos con las características biomecánicas y la funcionalidad que tiene el objeto real. Los avances en biotintas y el uso de medios de cultivo y células madre probablemente contribuirán a la futura optimización de estos métodos.
El futuro de la impresión 3D en biomedicina
A juzgar por las tendencias de investigación actuales, podemos esperar una importante y continuada inversión en impresión 3D en el ámbito de la biomedicina, lo que dará como resultado una innovación constante. Nuestro pronóstico es que el uso de esta tecnología se generalizará, por lo que la idea de que las impresoras 3D lleguen a usarse en el ámbito farmacéutico se convertirá en una posibilidad más cercana. Aunque la impresión 3D en biomedicina supone una gran inversión económica para los hospitales, los beneficios pueden superar con creces los costes si se cuenta con una planificación adecuada. A medida que crece la tecnología, es preciso emplear una terminología estandarizada y es imprescindible que la Food and Drug Administration (FDA) defina un nuevo marco regulador que garantice la seguridad y la eficacia de los productos de biomedicina impresos en 3D.
Para obtener más información, descargue nuestro informe de CAS Insights.
