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Cinco ejemplos innovadores de uso de la impresión 3D en la medicina

Personalized, precision medicine is on the rise. New tools and advanced technologies are bringing doctors closer to patients, delivering treatments and devices customized to better serve each unique individual.

La medicina de precisión personalizada está en auge. Nuevas herramientas y tecnologías avanzadas acercan a los médicos a los pacientes, creando tratamientos y dispositivos personalizados para adaptarse lo mejor posible a cada persona.

Los avances en la tecnología de impresión 3D médica han hecho enormes contribuciones a diversos campos del sector sanitario. Para los pacientes, las nuevas herramientas y métodos terapéuticos desarrollados mediante la impresión 3D pueden ofrecer nuevos niveles de comodidad y personalización en el tratamiento. Para los médicos, el acceso actual a esta tecnología permite contar con una comprensión mayor de casos complejos y proporciona nuevas herramientas que pueden generar cuidados de mayor calidad.

Sigue leyendo para descubrir cinco maneras de las que la impresión 3D se está expandiendo en el ámbito sanitario, desde modelos de planificación quirúrgica hasta vasculatura y biorreactores impresos en 3D. Descubrirás por qué muchos médicos están entusiasmados con el potencial de esta tecnología en la medicina.


Seminario web

Aplicaciones y procesos de trabajo de la impresión 3D: Testimonio de la Clínica Mayo

En este seminario web, Jonathan Morris, neurorradiólogo y codirector del Laboratorio de modelado anatómico de la Clínica Mayo, nos relata la historia de la impresión 3D en la medicina y examina casos de estudio reales en los que los radiólogos han introducido con éxito capacidades y programas de impresión 3D en los hospitales.

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1. Modelos quirúrgicos adaptados a cada paciente

Los modelos anatómicos impresos en 3D a partir de datos de escaneos del paciente son herramientas cada vez más útiles para la medicina de precisión que se practica actualmente. A medida que los casos se vuelven más complejos y la eficiencia en el quirófano se vuelve más importante para los casos rutinarios, los modelos de referencia visuales y táctiles dan la capacidad de potenciar la comprensión y la comunicación dentro de los equipos quirúrgicos y con los pacientes.

Profesionales del sector sanitario, hospitales y organizaciones de investigación de todo el mundo están usando modelos anatómicos como herramientas de referencia para la planificación preoperatoria, para la visualización intraoperatoria y para el ajuste de equipo médico para operaciones tanto rutinarias como complejas que se han documentado en cientos de publicaciones.

Gracias a la impresión 3D, producir modelos de referencia táctiles adaptados al paciente a partir de tomografías computarizadas y resonancias magnéticas es un proceso asequible y sencillo. Las publicaciones especializadas revisadas por pares muestran que proporcionan una visión adicional que ayuda a los médicos a prepararse mejor para las operaciones. Por consiguiente, con esta ayuda se obtiene una gran reducción de tiempo y de costes en el quirófano, al tiempo que se aumenta la satisfacción de los pacientes, se calman sus nervios y se reduce el tiempo de recuperación. 

Los médicos pueden usar los modelos quirúrgicos adaptados al paciente para explicar la operación de antemano, con lo que el paciente tiene un consentimiento mejor informado y aumenta su tranquilidad.

Aprender de los modelos preoperatorios también puede influir en el desarrollo del tratamiento. Esto fue lo que le ocurrió al Dr. Michael Eames. Después de crear una réplica de los huesos del antebrazo de un paciente joven, el Dr. Eames se percató de que la herida era distinta de lo que pensaba.

El Dr. Eames se decidió por una nueva operación en los tejidos blandos. Una mucho menos invasiva, con un menor tiempo de rehabilitación y que provocaría unas cicatrices mucho más leves. Con la réplica impresa del hueso, el Dr. Eames explicó al paciente y a sus padres toda la intervención y obtuvo su consentimiento.

Los médicos pueden usar los modelos quirúrgicos adaptados al paciente para explicar la operación de antemano, con lo que el paciente tiene un consentimiento mejor informado y aumenta su tranquilidad.

¿El resultado? Una intervención quirúrgica de menos de 30 minutos, en vez de la operación de tres horas que se había planeado en un principio. Esta diferencia de tiempo en el quirófano produjo un ahorro estimado de 5500 $ para el hospital y supuso que el paciente tuviera que pasar menos tiempo de recuperación en asistencia posoperatoria.

Citando al Dr. Alexis Dang, cirujano ortopédico de la Universidad de California en San Francisco (UCSF) y del Centro Médico de Veteranos de San Francisco: "Todos y cada uno de nuestros cirujanos ortopédicos a tiempo completo y casi todos nuestros cirujanos a tiempo parcial han utilizado modelos impresos en 3D para atender a los pacientes del Centro Médico de Veteranos de San Francisco. Todos hemos visto que la impresión 3D mejora los resultados cuando llega el momento de la intervención".

Los nuevos materiales biocompatibles de impresión 3D médica han permitido que se desarrollen también nuevas herramientas y técnicas quirúrgicas con la finalidad expresa de mejorar aún más la experiencia clínica durante las intervenciones quirúrgicas. Entre ellas se cuentan bandejas de fijación, plantillas de contorneado y modelos para el calibrado de implantes esterilizables que pueden usarse para determinar el tamaño de los implantes en el quirófano antes de usar el bisturí. De este modo, los cirujanos reducen el tiempo necesario para operaciones complejas e incrementan su precisión. 

 

Modelo anatómico de una mano, que incluye la "piel" hecha con un material elástico de impresión 3D.

Todd Goldstein, instructor en el Instituto Feinstein de Investigación Médica, no deja lugar a dudas en su estimación de la importancia que ha cobrado la impresión 3D para su departamento. Calcula que si Northwell usa modelos impresos en 3D en el 10-15 % de sus casos, podría ahorrar 1750 000 $ al año.

"[La tecnología de impresión 3D] ha aumentado nuestras capacidades y reducido nuestros costes en varios sentidos: hemos podido crear prototipos de dispositivos médicos y modelos anatómicos complejos para nuestro hospital infantil, crear sistemas de formación y entrar en el sector de la odontología con guías quirúrgicas para implantes. Además, hay herramientas para el tratamiento de pacientes que para nosotros serían casi imposibles de proporcionar sin nuestra impresora 3D SLA", afirma Todd Goldstein.


Libro blanco

Cómo imprimir en 3D modelos anatómicos para la planificación preoperatoria con un mejor consentimiento por parte del paciente

Este libro blanco ofrece un tutorial práctico para que los médicos y técnicos empiecen a crear modelos anatómicos impresos en 3D a partir de escaneos del paciente, a revisar las buenas prácticas para preparar una tomografía computarizada o resonancia magnética, segmentar conjuntos de datos y convertir archivos a un formato imprimible en 3D.

Descarga el libro blanco


2. Dispositivos e instrumentos médicos

La impresión 3D prácticamente se ha convertido en sinónimo de creación rápida de prototipos. La facilidad de uso y el bajo coste de la impresión 3D in situ también han revolucionado el desarrollo de productos y muchos fabricantes de herramientas médicas han adoptado la tecnología para producir nuevos dispositivos médicos e instrumentos quirúrgicos.

Más del 90 por ciento de las principales 50 empresas de dispositivos médicos usan la impresión 3D para crear prototipos precisos de dispositivos médicos, así como sujeciones y fijaciones para simplificar los ensayos.

He aquí el testimonio de Alex Drew, un ingeniero de proyectos mecánicos de DJO Surgical, un proveedor de dispositivos médicos en todo el mundo. "Antes de que DJO Surgical incorporara la [impresora 3D de Formlabs], recurríamos casi exclusivamente a otras empresas de impresión para nuestros prototipos. Ahora, utilizamos cuatro impresoras de Formlabs, y su impacto en nuestro trabajo ha sido considerable. Nuestro ritmo de impresión 3D se ha duplicado, los costes se han reducido un 70 por ciento y el nivel de detalle de las impresiones nos permite tener una buena comunicación de los diseños con los cirujanos ortopédicos".

Las empresas de dispositivos médicos como Coalesce usan la impresión 3D para crear prototipos precisos de dispositivos médicos.

La impresión 3D puede acelerar el proceso de diseño haciendo que las iteraciones de diseños complejos se realicen en días, en lugar de semanas. Cuando Coalesce recibió el encargo de crear un inhalador capaz de evaluar digitalmente el perfil del flujo inspiratorio de un paciente con asma, externalizar el proyecto a un proveedor de servicios habría provocado que cada prototipo tuviera plazos de producción largos. Los archivos de diseño habrían tenido que refinarse laboriosamente a lo largo de varias iteraciones antes de enviarlos a terceros para su construcción. 

En vez de eso, la impresión 3D por SLA de escritorio permitió a Coalesce mantener todo el proceso de creación de prototipos dentro de la propia empresa. Los prototipos eran aptos para su uso en estudios clínicos y su aspecto era idéntico al de un producto terminado. De hecho, cuando se hizo una demostración del dispositivo, los clientes confundieron el prototipo con el producto final.

En general, trabajar in situ supuso una enorme reducción del 80-90 % del plazo de producción de prototipos. Es más, las piezas solo tardaron ocho horas en imprimirse y se les pudo aplicar el acabado y la pintura en unos pocos días, mientras que el proceso habría llevado una semana o dos con un contratista externo.

3. Prótesis asequibles

Cada año, cientos de miles de personas pierde uno de sus miembros, pero solo parte de ellos consigue acceso a una prótesis para recuperar su funcionamiento.

Las prótesis simples solo están disponibles en unas pocas tallas, de modo que los pacientes deben apañárselas con la que mejor les venga. Los dispositivos biónicos hechos a medida y diseñados para limitar los movimientos y agarres de miembros reales, que se valen de los músculos del miembro residual de una persona para controlar su funcionamiento, son tan caros que solo son accesibles para los pacientes que cuenten con los mejores seguros médicos de los países desarrollados. Esto afecta especialmente a las prótesis para niños. A medida que los niños crecen y comienzan nuevas aventuras, es inevitable que sus prótesis se les queden pequeñas y requieran reparaciones costosas.

El principal escollo es la falta de procesos de fabricación que puedan producir piezas personalizadas de forma asequible. Sin embargo, los fabricantes de prótesis cada vez optan más por aprovechar la famosa libertad de diseño de la impresión 3D para mitigar esas barreras económicas que impiden recibir el tratamiento.

Iniciativas como e-NABLE permiten que se formen comunidades enteras en todo el mundo alrededor de las prótesis impresas en 3D. Están impulsando un movimiento independiente en la producción de prótesis, compartiendo información y diseños de código abierto libremente en Internet, para que los pacientes puedan obtener una prótesis que esté bien adaptada a ellos por precios tan bajos como 50 $.

Otros inventores como Lyman Connor van un paso más allá. Con solo un pequeño parque de cuatro impresoras 3D de escritorio, Lyman pudo completar y ajustar sus primeras prótesis de producción. ¿Cuál era su meta final? Crear una mano personalizable completamente biónica que vender a un precio considerablemente inferior a las decenas de miles de dólares por los que se venden estas prótesis tan avanzadas en el mercado.

Por otro lado, unos investigadores del MIT también han identificado la impresión 3D como un medio óptimo para producir encajes de prótesis más cómodos.

Huelga decir que el bajo coste de la producción de estas prótesis, junto con la libertad que implican los diseños personalizados, ha sido revelador. Las prótesis hechas mediante la impresión 3D se pueden elaborar en apenas dos semanas y después pueden someterse a ensayo y mantenerse a un coste muy inferior al de sus equivalentes tradicionales. 

A medida que los costes siguen decreciendo y mejoran las propiedades de los materiales, es indudable que la impresión 3D tendrá un papel cada vez más importante en este ámbito de la sanidad.

4. Plantillas y órtesis correctoras

Muchas de las mismas barreras económicas que impiden recibir prótesis también se encuentran en ámbitos como el de las órtesis y las plantillas. Como muchos otros dispositivos médicos adaptados al paciente, las órtesis personalizadas a menudo resultan inaccesibles por su elevado precio y por tardar semanas o meses en fabricarse. Con la impresión 3D, eso ya no tiene por qué ser así.

Nos hace pensar en el ejemplo de Matej y su hijo Nik. Nik nació prematuro en 2011 y las dificultades de su parto provocaron que padezca parálisis cerebral, un trastorno que afecta a casi 20 millones de personas en todo el mundo. A Matej le parecía admirable la voluntad inquebrantable de su hijo de superar las limitaciones que su trastorno le imponía, pero debía elegir: una órtesis prefabricada que sería inadecuada e incómoda para su hijo o una costosa solución a medida que tardaría meses o semanas en llegar, para quedarse rápidamente desfasada al crecer el niño.

Decidió ocuparse él mismo del asunto y buscó nuevas soluciones para alcanzar su objetivo. Con la libertad que ofrecían tecnologías digitales como  el escaneo 3D y la impresión 3D, los fisioterapeutas de Matej y Nik pudieron experimentar con comodidad y desarrollar un innovador proceso de trabajo completamente nuevo para órtesis de pie y tobillo.

La órtesis diseñada a medida e impresa en 3D que produjeron proporcionó a Nik el apoyo, la comodidad y la corrección exactas que necesitaba y donde las necesitaba, con lo que Nik pudo dar sus primeros pasos sin ayuda de nadie. Esta órtesis personalizada aportaba el acabado muy ajustado de las órtesis de alta gama, por un precio bastante inferior y sin que fueran necesarias más modificaciones.

Profesionales de todo el mundo están usando la impresión 3D para reinventar las plantillas y órtesis adaptadas a los pacientes y clientes, así como diversas otras herramientas para mejorar la fisioterapia. Antes, la combinación de la fisioterapia con herramientas personalizadas se topaba con obstáculos. A menudo, los pacientes debían esperar durante mucho tiempo a que llegaran piezas que podían resultarles incómodas. La impresión 3D está empezando a cambiar esta situación. Las plantillas y órtesis impresas en 3D han demostrado tener un mejor ajuste, generar mejores resultados terapéuticos y ofrecer un mayor grado de comodidad y de uso para los pacientes.

5. Bioimpresión, ingeniería de tejidos, órganos impresos en 3D y más allá

Actualmente, los medios convencionales para tratar a los pacientes con fallos orgánicos graves consisten en usar autoinjertos, injertos de tejido procedente de otro punto del cuerpo de la misma persona, u órganos trasplantados procedentes de un donante. Los investigadores del campo de la bioimpresión y la ingeniería de tejidos tienen la esperanza de cambiar eso pronto y poder crear tejidos, vasos sanguíneos y órganos bajo demanda.

La bioimpresión 3D es el uso de procesos de fabricación aditiva para depositar materiales conocidos como "biotintas" para crear estructuras similares a tejidos que puedan usarse en ámbitos médicos. La ingeniería de tejidos es el conjunto de tecnologías en auge (entre las que se encuentra la bioimpresión) cuyo objetivo es desarrollar tejidos y órganos de sustitución en el laboratorio para usarlos en el tratamiento de lesiones y enfermedades. 

Con la ayuda de la impresión 3D de alta precisión, investigadores como el Dr. Sam Pashneh-Tala de la Universidad de Sheffield han creado nuevas posibilidades para la ingeniería de tejidos.

Para dirigir el crecimiento celular de manera que se forme el tejido deseado, el Dr. Pashneh-Tala cría células vivas en el laboratorio, sobre un andamio que proporciona una plantilla de la forma, el tamaño y la geometría deseados. Por ejemplo, se necesita una estructura tubular para crear un vaso sanguíneo para un paciente cardiovascular. Las células se multiplican y cubren el andamio, adquiriendo su forma. A continuación, el andamio se descompone gradualmente y deja atrás las células vivas dispuestas en la forma del tejido objetivo. Se cultiva en un biorreactor, una cámara que contiene el tejido en desarrollo y puede reproducir el entorno interno del organismo para obtener el funcionamiento mecánico y biológico del tejido orgánico.

Una cámara de biorreactor impresa en 3D con una aorta en miniatura creciendo en su interior, generada mediante ingeniería de tejidos. El tejido se cultiva en el biorreactor para obtener el funcionamiento mecánico y biológico del tejido orgánico.

Esto dará a los científicos la capacidad de crear diseños de injertos a medida para los pacientes, mejorará las opciones quirúrgicas y proporcionará una plataforma de ensayo única para nuevos dispositivos médicos vasculares. Estos dispositivos se usarán para tratar a quien padezca una enfermedad cardiovascular, que actualmente es la causa número uno de los fallecimientos en todo el mundo. Después de eso, la meta definitiva es crear vasos sanguíneos que estén listos para implantarse en los pacientes. Dado que la ingeniería de tejidos usa células extraídas del paciente que requiere el tratamiento, elimina la posibilidad de un rechazo por parte del sistema inmunitario, uno de los grandes problemas de las operaciones de transplante de órganos hoy en día. 

La impresión 3D ha demostrado que es capaz de responder a los desafíos de la producción de vasos sanguíneos sintéticos recreando las formas, dimensiones y geometrías precisas del vaso sanguíneo necesario. La capacidad de adaptar las soluciones impresas a las necesidades específicas de los pacientes ha resultado reveladora. 

Citando al Dr. Pashneh-Tala: "[Crear vasos sanguíneos mediante la impresión 3D] ofrece el potencial de mejorar nuestras opciones quirúrgicas e incluso diseños de vasos sanguíneos a medida para los pacientes. Sin acceso a una impresión 3D asequible de alta precisión, crear estas formas no sería posible".

Hemos visto avances interesantes en materiales biológicos adecuados para su uso con impresoras 3D. Los científicos están desarrollando nuevos materiales de hidrogel que tienen la misma consistencia que el tejido orgánico que podemos encontrar en el cerebro y los pulmones y que pueden ser compatibles con diversos procesos de impresión 3D. Los científicos esperan poder implantarlos en un órgano para que actúen como "andamios" que guíen el crecimiento de las células.

Si bien bioimprimir órganos internos completamente funcionales como corazones, riñones e hígados todavía parece cuestión de ciencia-ficción, los avances con las técnicas de impresión 3D híbridas están teniendo lugar a un ritmo vertiginoso. 

Tarde o temprano, se espera que construir materia biológica en impresoras de laboratorio conduzca a la capacidad de generar órganos nuevos impresos en 3D completamente funcionales. En abrir de 2019, unos científicos de la Universidad de Tel Aviv crearon el primer corazón 3D a a partir del material biológico de un paciente. La pequeña réplica se creó con el material biológico del mismo paciente, con lo que se generó un órgano que coincidía a la perfección con el perfil inmunológico, celular, bioquímico y anatómico del paciente.

"En este momento, nuestro corazón 3D es pequeño, del tamaño del de un conejo, pero hacer corazones humanos mayores requiere la misma tecnología", dijo Tal Dvir.

El primer corazón bioimpreso en 3D, creado en la Universidad de Tel Aviv.

¿Cuál es el futuro de la impresión 3D médica?

Los procesos de impresión 3D precisos y asequibles como la estereolitografía de escritorio están democratizando el acceso a la tecnología y dando a los profesionales del sector sanitario la capacidad de desarrollar nuevas soluciones clínicas y fabricar rápidamente dispositivos personalizados. También permiten a los médicos enviar tratamientos nuevos a cualquier lugar del mundo.  

A medida que las tecnologías y los materiales de impresión 3D sigan mejorando, allanarán el camino para la asistencia personalizada y aplicaciones médicas muy eficaces.

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