There are currently hundreds of thousands of people on transplant lists, waiting for critical organs like kidneys, hearts, and livers that could save their lives. Unfortunately, there aren’t nearly enough donor organs available to fill that demand.
Actualmente, hai centos de miles de persoas nas listas de transplante esperando por órganos vitais como riles, corazóns e fígados que poderían salvarlles a vida. Por desgraza, non hai suficientes doantes de órganos dispoñibles para cubrir esa demanda.
What if instead of waiting, we could create brand-new, customized organs from scratch? That’s the idea behind bioprinting, a branch of regenerative medicine currently under development. We’re not able to print complex organs just yet, but simpler tissues including blood vessels and tubes responsible for nutrient and waste exchange are already in our grasp.
E se, en lugar de ter que esperar, puidésemos crear órganos novos e personalizados dende cero? Esa é a idea detrás da bioimpresión, unha rama da medicina rexenerativa que se está a desenvolver na actualidade. Aínda non podemos imprimir órganos complexos, pero os tecidos máis simples, incluíndo vasos sanguíneos e tubos responsables do intercambio de nutrientes e residuos, xa están ao noso alcance.
Bioprinting is a biological cousin of 3-D printing, a technique that deposits layers of material on top of each other to construct a three-dimensional object one slice at a time. Instead of starting with metal, plastic, or ceramic, a 3-D printer for organs and tissues uses bioink: a printable material that contains living cells.
A bioimpresión é a curmá biolóxica da impresión 3D, unha técnica que deposita capas de material unhas sobre outras para construír obxectos tridimensionais de rebanda en rebanda. En lugar de empregar metal, plástico ou cerámica, unha impresora 3D para órganos e tecidos usa biotinta: un material para imprimir que contén células vivas.
The bulk of many bioinks are water-rich molecules called hydrogels. Mixed into those are millions of living cells as well as various chemicals that encourage cells to communicate and grow. Some bioinks include a single type of cell, while others combine several different kinds to produce more complex structures.
A maior parte das biotintas son moléculas ricas en auga chamadas hidroxeles. Mesturadas entre elas aparecen millóns de células vivas xunto con diversos compostos químicos que permiten que as células medren e se comuniquen. Algunhas biotintas conteñen un único tipo de célula, mentres outras combinan varios tipos diferentes para producir estruturas máis complexas.
Let’s say you want to print a meniscus, which is a piece of cartilage in the knee that keeps the shinbone and thighbone from grinding against each other. It’s made up of cells called chondrocytes, and you’ll need a healthy supply of them for your bioink. These cells can come from donors whose cell lines are replicated in a lab. Or they might originate from a patient’s own tissue to create a personalized meniscus less likely to be rejected by their body. There are several printing techniques, and the most popular is extrusion-based bioprinting. In this, bioink gets loaded into a printing chamber and pushed through a round nozzle attached to a printhead. It emerges from a nozzle that’s rarely wider than 400 microns in diameter, and can produce a continuous filament roughly the thickness of a human fingernail.
Digamos que queremos imprimir un menisco, que é un anaco de cartilaxe do xeonllo que impide que a tibia e o fémur rocen un contra o outro. Está feito dunhas células chamadas condrocitos, e necesitariamos unha subministración sa para a nosa biotinta. Estas células poden vir de doantes cuxas liñas celulares se replican en laboratorios ou pódense obter do propio tecido do paciente para crear un menisco personalizado e con menor probabilidade de que o rexeite polo corpo. Hai técnicas de impresión diferentes, e a máis popular é a bioimpresión baseada en extrusión. Nesta técnica, a biotinta cárgase nunha cámara de impresión e impúlsase a través dunha boquilla redonda suxeita ao cabezal de impresión. Sae pola boquilla, que rara vez ten máis de 400 micrómetros de diámetro, e pode producir un filamento continuo dun espesor similar ao dunha unlla humana.
A computerized image or file guides the placement of the strands, either onto a flat surface or into a liquid bath that’ll help hold the structure in place until it stabilizes. These printers are fast, producing the meniscus in about half an hour, one thin strand at a time.
Un arquivo ou imaxe computarizada guía o posicionamento destas fibras, ben sobre unha superficie lisa ou nun baño líquido que axuda a que a estrutura se manteña no seu sitio ata que se estabilice. Estas impresoras son rápidas e producen o menisco nunha media hora, filamento a filamento.
After printing, some bioinks will stiffen immediately; others need UV light or an additional chemical or physical process to stabilize the structure. If the printing process is successful, the cells in the synthetic tissue will begin to behave the same way cells do in real tissue: signaling to each other, exchanging nutrients, and multiplying.
Despois de imprimir, algunhas biotintas endurécense de inmediato; pero outras necesitan luz UV ou procesos físicos ou químicos adicionais para estabilizar a estrutura. Se o proceso de impresión sae ben, as células do tecido sintético comezarán a comportarse igual que o farían as células dun tecido real: comunicaranse, intercambiarán nutrientes e multiplicaranse.
We can already print relatively simple structures like this meniscus. Bioprinted bladders have also been successfully implanted, and printed tissue has promoted facial nerve regeneration in rats. Researchers have created lung tissue, skin, and cartilage, as well as miniature, semi-functional versions of kidneys, livers, and hearts. However, replicating the complex biochemical environment of a major organ is a steep challenge. Extrusion-based bioprinting may destroy a significant percentage of cells in the ink if the nozzle is too small, or if the printing pressure is too high. One of the most formidable challenges is how to supply oxygen and nutrients to all the cells in a full-size organ. That’s why the greatest successes so far have been with structures that are flat or hollow— and why researchers are busy developing ways to incorporate blood vessels into bioprinted tissue.
Xa podemos imprimir estruturas relativamente sinxelas como este menisco. Tamén se fixeron xa implantes de vexigas bioimpresas e se promoveu a rexeneración de nervios faciais en ratas usando tecido impreso. Os investigadores xa crearon tecido de pulmón, pel e cartilaxe, ademais de versións en miniatura e semifuncionais de riles, fígados e corazóns. Porén, replicar o complexo entorno bioquímico dos órganos principais é un gran reto. A bioimpresión baseada en extrusión pode destruír unha porcentaxe significativa das células na tinta se a boquilla é demasiado pequena ou se a presión de impresión é demasiado elevada. Un dos retos máis formidables é como proporcionarlles osíxeno e nutrientes a todas as células dun órgano de tamaño real. Por esta razón, os maiores éxitos ata o momento déronse en estruturas que son planas ou ocas, e por iso os investigadores están buscando formas de incorporar vasos sanguíneos nos tecidos bioimpresos.
There’s tremendous potential to use bioprinting to save lives and advance our understanding of how our organs function in the first place. And the technology opens up a dizzying array of possibilities, such as printing tissues with embedded electronics. Could we one day engineer organs that exceed current human capability, or give ourselves features like unburnable skin? How long might we extend human life by printing and replacing our organs? And exactly who—and what— will have access to this technology and its incredible output?
A bioimpresión ten un potencial tremendo para salvar vidas e permitirnos aprender como funcionan os nosos órganos. E esta tecnoloxía abre un número vertixinoso de novas posibilidades, como imprimir tecidos con compoñentes electrónicos incorporados. Poderemos algún día imprimir órganos que superen as capacidades dos humanos ou que nos proporcionen características como unha pel que non se poida queimar? Canto podemos alongar a vida humana imprimindo e substituíndo os nosos órganos? E, exactamente, quen, ou que, terá acceso a esta tecnoloxía e ás súas incribles posibilidades?