Imagine un mundo en el que podamos imprimir órganos humanos, no sólo en 3D, sino con la capacidad de crecer y evolucionar como tejidos vivos. Esta es la promesa de la impresión 5D. En esta guía, exploraremos cómo esta innovadora tecnología va más allá de la impresión tradicional, introduciendo materiales de crecimiento automático que podrían revolucionar la medicina y la fabricación. Si sigue leyendo, descubrirá las posibles repercusiones en los trasplantes de órganos, el desarrollo de entidades similares a la vida y el futuro de la inteligencia artificial. ¿Listo para sumergirte en el futuro de la fabricación?
En febrero de 2013, el estadounidense Skylar Tibbits introdujo el concepto de impresión 4D, y cinco meses después, el académico Lu Bingheng, de la Universidad Jiaotong de Xi'an, propuso el concepto de impresión 5D.
En un artículo titulado "Development Roadmap of 3D Printing Technology", publicado en el China Information Week el 29 de julio de 2013, el académico Lu Bingheng fue el primero en sugerir que la impresión 5D es la forma actual de impresión celular, en la que se pueden crear mediante impresión los tejidos y órganos vivos que necesitamos.
A continuación describió la impresión 5D en múltiples ocasiones, explicando que, a medida que pasa el tiempo, no sólo cambia la forma, sino que también evoluciona la funcionalidad. Por ejemplo, en la impresión de órganos humanos, tras imprimir un andamio, se incorporan células humanas en su interior y, en el entorno adecuado, se transforman en diferentes tejidos, convirtiéndose finalmente en un órgano.
Por supuesto, la impresión en 5D es mucho más que un simple concepto: si la impresión en 4D añade la dimensión del tiempo a la impresión en 3D, utilizando materiales inteligentes para el autoensamblaje, la impresión en 5D introduce la capacidad de autocrecimiento, que no es simplemente añadir otra dimensión, sino expandirse a múltiples dimensiones.
Es importante tener en cuenta lo siguiente: en primer lugar, aunque la impresión 5D sigue utilizando equipos de tecnología de impresión 3D, los materiales impresos son células vivas y factores biológicamente activos que poseen vitalidad. Estos biomateriales deben sufrir cambios funcionales durante su desarrollo posterior; por tanto, debe considerarse un diseño de ciclo de vida completo desde el principio.
En segundo lugar, algunas de las llamadas fabricaciones 5D de forma libre actuales se refieren al mecanizado en cinco ejes a nivel de tecnología de fabricación, que sigue estando dentro del ámbito de la fabricación 3D y es totalmente diferente del concepto de impresión 5D, careciendo de un papel protagonista en la innovación científica y tecnológica.
Evidentemente, la impresión 5D transformará la fabricación tradicional, caracterizada por estructuras estáticas y prestaciones fijas, en una funcionalidad dinámica y cambiante, rompiendo los paradigmas de fabricación convencionales hacia la dirección de la inteligencia estructural y la génesis funcional.
Esto traerá cambios disruptivos a la tecnología de fabricación y a la inteligencia artificial, evolucionando la producción de entidades no vivas a entidades similares a la vida con la capacidad de cambiar de forma y propiedades.
A corto plazo, esta tecnología podría revolucionar los trasplantes de órganos y los servicios sanitarios para humanos, y a más largo plazo, tiene el potencial de crear una nueva dirección para la ciencia de la fabricación y las ciencias de la vida, impulsando un desarrollo pionero de la inteligencia artificial.
La esencia de la impresión 5D reside en la fabricación de tejidos con funciones vitales, lo que ofrece al ser humano la posibilidad de fabricar órganos funcionales a medida. La tecnología de fabricación de órganos y tejidos artificiales es un área clave que cuenta con el apoyo de potencias mundiales de fabricación.
Por ejemplo, el informe de Estados Unidos "Outlook on Manufacturing Challenges for 2020" señala la fabricación de tejidos biológicos como una de las principales direcciones para la alta tecnología; el "Informe estratégico sobre el futuro de la fabricación: 2015-2020" de la Comisión Europea sugiere centrarse en el desarrollo de biomateriales y prótesis artificiales, situando la biotecnología como una de las cuatro disciplinas principales que sustentan el futuro de la fabricación;
La hoja de ruta tecnológica de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Mecánicos destaca la microbiomecánica para promover la regeneración de tejidos como una de las diez direcciones de investigación. Tanto el sector internacional como el nacional han logrado aplicaciones clínicas parciales e industrialización en la fabricación de sustitutos humanos personalizados y tejidos activos similares a membranas.
Sin embargo, la fabricación por ingeniería de tejidos y órganos activos complejos sigue planteando muchos retos. En la actualidad, hay más de 300 instituciones y empresas en todo el mundo dedicadas a la investigación y el desarrollo de tecnología 3D biológica.
Entre ellos, el Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa de Estados Unidos ha logrado una serie de resultados pioneros en el campo del 3D biológico: fueron los primeros en imprimir con éxito células madre e inducir la diferenciación de tejido óseo funcional; en colaboración con el Instituto de Medicina Regenerativa del Ejército de Estados Unidos, desarrollaron una impresora 3D de piel; también han impreso en 3D estructuras similares a "riñones artificiales".
A escala internacional, se han desarrollado estructuras heterogéneas integradas de redes vasculares y dispositivos heterogéneos integrados de impresión celular, que producen estructuras heterogéneas celulares como parches de hueso craneal humano y cartílago de oreja.
En China, se han impreso huesos, dientes, cartílagos de oreja y estructuras vasculares, con aplicaciones clínicas preliminares; también se han fabricado modelos de células madre de glioblastoma y modelos de fibras de tumores cerebrales heterogéneos multicelulares. Renombradas universidades chinas, como la Universidad de Tsinghua, la Universidad Jiaotong de Xi'an, la Universidad de Zhejiang, la Universidad Tecnológica del Sur de China, la Universidad de Sichuan y la Universidad de Jilin, han investigado a fondo en este campo.
La brecha entre algunas áreas nacionales de fabricación biológica y el nivel avanzado internacional se está estrechando, y algunas incluso alcanzan una posición de liderazgo mundial.
La impresión 5D representa la convergencia de la tecnología de fabricación y la tecnología de las ciencias de la vida, donde el diseño intencional, la fabricación y la regulación son el núcleo. Las principales cuestiones clave incluyen los cinco aspectos siguientes.
Partiendo de la comprensión de las propiedades de autocrecimiento de las entidades vivas, es necesario desarrollar teorías para el diseño estructural y funcional de células y genes en la fase elemental y a lo largo del proceso de crecimiento.
Los principales retos son: en primer lugar, romper las actuales teorías de diseño mecánico centradas en el diseño estructural y la función mecánica para desarrollar métodos de diseño que coevolucionen estructura, actuación y función; en segundo lugar, comprender las leyes que rigen la replicación y autorreplicación celular y génica para diseñar la composición y estructura de células en estado inicial que crezcan según sus propias reglas;
y, en tercer lugar, realizar investigaciones sobre materiales, procesos de fabricación y métodos de control de ingeniería para entidades vivas que sean degradables, posean una resistencia de ingeniería adecuada y puedan activarse y crecer en determinados entornos.
En la impresión 5D, las unidades vivas sirven de base para el crecimiento y desarrollo de los tejidos, y las células individuales o los genes constituyen el núcleo de la posterior manifestación funcional. La acumulación a micro y nanoescala de estas unidades vivas exige el estudio de sus principios de apilamiento e interrelaciones.
Ajustando las relaciones intercelulares, podemos controlar la estructura espacial tridimensional y las funciones, facilitando así el crecimiento tisular y la regeneración funcional. El sello distintivo de la impresión 5D es la regeneración funcional de entidades vivas, siendo primordial la preservación de su viabilidad.
Por lo tanto, la fabricación de entidades vivas requiere proporcionar un entorno de cultivo adecuado, incluido el control de nutrientes, oxígeno, dióxido de carbono y otras condiciones atmosféricas en el medio de cultivo, para crear una sinergia entre el entorno biológico y el proceso de impresión.
Es vital estudiar los mecanismos y la innovación de los procesos que permiten que distintos materiales y estructuras se conviertan en diversos tejidos y funciones en determinados entornos. Las estructuras y funciones iniciales en la impresión 5D deben convertirse en funcionalidades finales en entornos específicos.
Para ello es necesario comprender la relación entre la formación de funciones y la fabricación de diseños, así como las leyes de los cambios funcionales a lo largo del tiempo en los sistemas multicelulares.
Esto incluye las relaciones de interconectividad e interacciones celulares que, a través de sus efectos, construyen funciones para la liberación de energía (células musculares) o la transmisión de información (neuronas), proporcionando una base técnica para el desarrollo de dispositivos multifuncionales.
Las entidades vivas son organizaciones funcionales controlables mediante información, similar al papel de las neuronas en animales y humanos. En la impresión 5D, es crucial explorar qué materiales y estructuras pueden sustituir a las funciones neuronales, cómo transmitir correctamente señales eléctricas o químicas y cómo impulsar la formación de diversas funcionalidades en los tejidos.
La investigación de tejidos neuronales y similares al cerebro ayudará a establecer organizaciones de transmisión de información basadas en las características naturales humanas, avanzando aún más hacia una inteligencia artificial con una organización natural similar a la del cerebro.
El aprendizaje profundo actual en inteligencia artificial se basa en la conjetura de modelos, el entrenamiento de datos, la acumulación continua de aprendizaje, e incluso utiliza algoritmos genéticos biológicos para realizar funciones de inteligencia artificial, de forma parecida a como los aviones han sustituido a los pájaros.
En el futuro, las entidades similares al cerebro podrán utilizar la impresión 5D para implantar chips en órganos recreados o artificiales, aprender de la interconectividad aleatoria de las neuronas del cerebro humano para crear potentes chips biológicos o utilizar genes para replicar por completo un cerebro biológicamente activo.
La recopilación de información, el control de la toma de decisiones y el accionamiento entre el cerebro artificial, los órganos originales humanos y diversos órganos artificiales son áreas pendientes de investigación e innovación.
En la aplicación de la tecnología de impresión 5D, es esencial comprender los principios del diseño y la fabricación. Dirigido a órganos específicos o dispositivos biológicos, hay que dedicarse al diseño sistemático de crecimiento estructural y funcional.
Esto implica comprender cómo regular las combinaciones celulares o genéticas en la impresión 5D, cómo controlar los daños inducidos por el proceso en el organismo vivo durante la impresión y cómo gestionar las funciones de los órganos o dispositivos formados, así como las intervenciones y la orientación en el crecimiento celular.
Es necesario comprender la relación entre la impresión 5D y la formación funcional, evaluar y medir las funciones de los dispositivos o tejidos multifuncionales y establecer un sistema de investigación que integre el diseño de unidades vitales, la impresión sin daños y la creación de funciones. De este modo se proporciona el apoyo técnico necesario para desarrollar órganos y dispositivos con propiedades biológicas.
La impresión 5D desplazará la fabricación de materiales como la madera, el metal y el silicio a materiales biológicos, pasando de estructuras inmutables a dispositivos capaces de regenerarse funcionalmente.
Para lograrlo, es crucial establecer técnicas de diseño y fabricación transformadoras guiadas por la funcionalidad, y avanzar en la tecnología de fabricación mediante la integración interdisciplinar. El Laboratorio Estatal Clave de Ingeniería de Sistemas de Fabricación Mecánica de la Universidad Jiaotong de Xi'an ha llevado a cabo prometedoras exploraciones en la dirección del desarrollo de la impresión 5D.
El infarto de miocardio es una enfermedad grave que supone una importante amenaza para la salud humana. Los parches cardíacos de ingeniería existentes carecen de propiedades electrofisiológicas y no pueden establecer la conducción de señales eléctricas con el miocardio huésped, por lo que no consiguen una contracción sincrónica y perjudican gravemente la recuperación funcional del miocardio infartado.
Por lo tanto, es necesario investigar la integración de funciones de detección conductiva en los tejidos cardíacos tradicionales. Esto implica el uso de la tecnología de impresión 3D micro/nano multimaterial para lograr la fabricación integrada y controlable de andamios cardíacos de detección conductiva, ofreciendo nuevos medios para explorar la patogénesis y el tratamiento del infarto de miocardio.
Esta investigación impulsará la biomanufactura desde la fabricación tradicional de andamios hasta el desarrollo de andamios conductores inteligentes. Mediante la simulación de la estructura de micro/nanofibras de la matriz extracelular cardiaca natural, se investigaron técnicas de impresión electrostática multimaterial de fibras conductoras compuestas a micro/submicroescala.
Mediante impresión electrostática por fusión, se fabricaron microfibras de poli(caprolactona) (PCL) con un diámetro de 9,5μm±1,5μm; mediante impresión electrostática por disolución, se produjeron fibras conductoras de poli(3,4-etilendioxitiofeno)/poli(estirenosulfonato)-óxido de polietileno (PEDOT:PSS-PEO) con un diámetro de 470nm±76nm.
Las fibras conductoras a subescala PEDOT:PSS-PEO mostraron una conductividad excelente, con una conductividad de 1,72×103S/m. Empleando un método de acumulación capa por capa, se crearon andamios compuestos multicapa, formados por andamios multicapa de microfibras con diversas orientaciones y andamios conductores a micro/submicroescala, como se muestra en la Figura 8-17.
El andamio compuesto multicapa presentaba propiedades mecánicas favorables en la dirección de la fibra, con un módulo elástico de aproximadamente 13,0 MPa. Las mediciones de la conductividad del andamio demostraron que la adición de fibras conductoras a subescala PEDOT:PSS-PEO mejoraba significativamente la conductividad del andamio.
Además, los andamiajes conductores a micro/submicroescala mantuvieron una conductividad estable en un medio acuoso, sentando las bases para posteriores experimentos celulares.
Los cardiomiocitos primarios, las células más cruciales del tejido cardíaco, proporcionan la fuerza para la contracción del corazón y el flujo sanguíneo.
Se estudió la influencia del mencionado andamio compuesto multicapa en el crecimiento orientado y el latido sincrónico de cardiomiocitos primarios de rata. Tras ocho días de co-cultivo, se observó que los cardiomiocitos primarios eran capaces de crecer a lo largo de fibras de PCL a escala micrométrica y de formar redes celulares complejas y orientadas sobre fibras conductoras PEDOT:PSS-PEO submicrométricas.
Las células también expresaron cantidades sustanciales de las proteínas específicas cardíacas α-actinina y CX43. El análisis de cuantificación de fluorescencia reveló que la cantidad de estas proteínas expresadas en las fibras conductoras submicrométricas PEDOT:PSS-PEO era significativamente mayor en comparación con las fibras micrométricas de PCL.
Esto demuestra que las fibras conductoras submicrométricas PEDOT:PSS-PEO aumentaron la conductividad del andamio, mejoraron la transmisión intercelular de señales eléctricas, la expresión de proteínas y la capacidad de latido de los cardiomiocitos. Además, el diseño estratificado y orientado del andamiaje conductor multicapa facilitó aún más el latido sincrónico de los cardiomiocitos primarios.
La neurociencia es una de las direcciones más significativas de la investigación científica actual y un pináculo de la competencia científica entre naciones. En 2013, el Presidente Obama de Estados Unidos anunció la Iniciativa Cerebro, a la que pronto siguieron la Unión Europea y Japón con la puesta en marcha del Proyecto Cerebro Humano y el Proyecto Cerebro/Mente, respectivamente.
En el "XIII Plan Quinquenal" de China, la ciencia del cerebro y la investigación cerebral ocupan el cuarto lugar entre los 100 principales proyectos. Según la Organización Mundial de la Salud, enfermedades cerebrales como el Parkinson, el Alzheimer, el autismo y la depresión se han convertido en una carga social mayor que las enfermedades cardiovasculares y el cáncer. Debido a la limitada comprensión de su patogénesis, casi todos los casos carecen de tratamientos eficaces.
La falta de donantes de tejido cerebral humano se ha convertido en un importante obstáculo para la investigación en neurociencias y enfermedades cerebrales. Los tejidos cerebrales animales no pueden representar plenamente las características del cerebro humano, por lo que la construcción de modelos in vitro que imiten fielmente el tejido cerebral humano natural es un requisito inevitable para el avance de la neurociencia.
La funcionalidad de las neuronas en el tejido cerebral y su señalización son fundamentales para la función cognitiva. La disposición de estas células, sus tipos y densidades dentro de las capas corticales sustentan las zonas funcionales de la corteza cerebral. Pasar de comprender el cerebro a crearlo marca la dirección para desarrollar ordenadores similares al cerebro.
La construcción morfológica y funcional in vitro de tejido cerebral depende del diseño biomimético y la fabricación precisa de tipos de neuronas, estructuras de construcción y combinaciones de neuronas correspondientes a las áreas funcionales objetivo. Esta es una dirección de futuro que debe seguir la impresión 5D de funciones biológicas similares a las del cerebro.
En el desarrollo de equipos para la construcción in vitro de tejidos similares al cerebro, se ha diseñado y montado un sistema integrado de impresión/cultivo celular. Puede imprimir simultáneamente varias células y componentes de matriz, con una velocidad del cabezal de impresión de 100 a 1000 mL/min y una precisión de movimiento de la mesa de trabajo X-Y no superior a 20μm.
Puede imprimir capas de tejido de 100 a 300μm de grosor, manteniendo una temperatura de la cámara de impresión de 37°C±1°C. Las concentraciones de oxígeno y dióxido de carbono son ajustables, con desviaciones de concentración dentro de ±1%, proporcionando una plataforma de equipamiento para la impresión in vitro de tejidos multicelulares similares al cerebro, como se muestra en la Figura 8-18.
Basándose en el equipo de impresión existente, se han optimizado los parámetros del proceso de impresión para adaptarlos a los requisitos de impresión de células neuronales, logrando la preparación de tejidos neurales tridimensionales viables que encapsulan células neuronales primarias de rata con una viabilidad celular posterior a la impresión superior a 94%.
El tejido cerebral natural está formado principalmente por dos tipos de células neuronales: neuronas y neuroglía. Utilizando la plataforma mencionada, construimos modelos de tejido neuronal puro, tejido mixto de neuronas y células gliales, y estructuras tisulares complejas con neuronas y células gliales coexistiendo en una disposición espacial tridimensional predefinida.
Esta configuración permitió el co-cultivo in vitro de neuronas y células gliales activas de tejidos similares al cerebro bajo diversas relaciones estructurales espaciales. La investigación indica que las neuronas, situadas junto a las células gliales pero estratificadas respecto a ellas, pueden mostrar morfologías y expresiones bioquímicas que recuerdan más a los tejidos cerebrales naturales que las neuronas cultivadas solas in vitro.
Este modelo proporciona una representación más precisa y una base de investigación para la coexistencia de células neurogliales y neuronas desde una perspectiva tridimensional, sentando las bases para posteriores esfuerzos de la ciencia del cerebro y estudios farmacológicos patológicos utilizando modelos in vitro.
Las máquinas actuales están limitadas por su baja eficiencia de conversión de energía y su escasa flexibilidad. Los robots bioinspirados flexibles y multidireccionales, impulsados por tejido muscular o células vivas, representan el futuro de la maquinaria biosimbiótica con alta eficiencia de conversión de energía, seguridad intrínseca y movimiento ágil. Para ello, es necesario investigar métodos de fabricación de compuestos multicelulares/multimateriales para robots bioinspirados.
El objetivo de esta investigación es proporcionar un enfoque de fabricación rápida, repetible y personalizable, basado en los requisitos funcionales locomotores de robots similares a la vida que integran sistemas biológicos y mecánicos.
① Para el diseño de la entidad biológica, desarrollamos una microestructura de andamio con relación de Poisson negativa para cultivar y diferenciar células musculares. Este diseño mejora el grado de diferenciación de las células musculares y la fuerza de contracción del tejido muscular, al tiempo que proporciona la protección y los nutrientes necesarios para mantener la actividad a largo plazo de la entidad biológica.
② En cuanto a la fabricación de la entidad biológica, se utilizó la impresión 3D para fabricar biocomponentes. La investigación experimental sobre el crecimiento y la diferenciación de células musculares esqueléticas reveló que estas células pueden diferenciarse en fibras musculares maduras, sentando las bases para la construcción de entidades biológicas funcionales. Además, construimos un robot híbrido biomecánico reptante inspirado en la babosa de mar.
③ En cuanto a la regulación de la funcionalidad de la entidad biológica, se estableció una plataforma de estimulación de acoplamiento de campos múltiples. Se realizaron estudios sobre los mecanismos reguladores de los estímulos biónicos de enriquecimiento ambiental (como estímulos eléctricos y mecánicos) en el rendimiento de conducción de la entidad biológica.
④ En relación con el rendimiento de conducción de los robots bioinspirados, se desarrolló un modelo cinemático y dinámico basado en un sistema muelle-amortiguador de segundo orden para el robot. Utilizando una plataforma experimental cinemática y dinámica, se llevaron a cabo pruebas de rendimiento de conducción del robot. Los resultados mostraron que bajo una estimulación de impulsos de onda cuadrada de 50 Hz de frecuencia y 1 V de tensión, el robot podía avanzar a una velocidad de 2 mm/s.
La investigación mencionada explora las posibles direcciones futuras de los robots corporales vivos.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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