La biofabricación es la producción automatizada de tejidos y órganos para
abordar los desafíos de salud en medicina. Utiliza los principios de la fabricación aditiva, a menudo denominada impresión 3D, para combinar células, geles y fibras en una sola construcción que puede reemplazar un tejido enfermo o lesionado.
La biofabricación ampliará su impacto en la medicina y la biología y acelerará su evolución hacia conceptos y prácticas novedosos a través de la convergencia de las tecnologías de biofabricación.
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La biofabricación es un campo de investigación en rápido crecimiento que continúa desarrollándose y está superando su infancia.
Biofabricación a través de disciplinas científicas.
Hasta donde sabemos, el término Biofabricación se acuñó por primera vez en 1994 en relación con la biomineralización de perlas y más tarde, en 2003, también por la deposición de esmalte en dientes de mamíferos. Además, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. Usó la definición ‘ Biofabricación : el uso de materiales biológicos y mecanismos para la construcción ‘ para describir los métodos utilizados para crear estructuras 3D de alta resolución que imitan los mecanismos de crecimiento biológico. En 2004, Payne y sus colaboradores utilizaron la biofabricación para describir la generación de conjuntos nanoestructurados que contenían materiales biológicos y / o biocatalizadores. En sus palabras, utilizaron una definición bastante amplia: ” el matrimonio entre biología y microfabricación “. Hoy, el término biofabricación se usa ampliamente en el contexto de la fabricación de materiales híbridos orgánicos / inorgánicos o, más generalmente, la fabricación de materiales por organismos vivos. Dentro de la comunidad TE (TISSUE ENGINEERING) y RM (REGENERATIVE MEDIFICE), el término Biofabrication surgió con la aplicación de estrategias de fabricación 3D que incorporan la manipulación y el posicionamiento de células vivas y / o agregados celulares. Esto se discutirá con más detalle en la siguiente sección.
Claramente, el término Biofabricación es utilizado actualmente por muchas comunidades y disciplinas científicas para describir diferentes procesos y fenómenos. Ha habido una serie de intentos para formular una definición amplia de biofabricación que abarque su uso dentro de estos campos dispares. Luo, por ejemplo, declaró que ‘ Independientemente del ligero énfasis de las definiciones, hay varias características únicas de la biofabricación: primero, los bloques de construcción son células o productos biológicos; segundo, los procesos de fabricación son bioinspirados o bio-amigables; y finalmente, los productos son sistemas biológicos, modelos o dispositivos con propiedades transformadoras ‘. Sin embargo, esta definición no incluye procesos biológicos como la biomineralización, porque estos no son procesos bioinspirados sino que ocurren naturalmente. Por lo tanto, dado que la biofabricación fabrica inherentemente un producto, podría describirse en términos generales como ” un proceso que resulta en un producto definido con función biológica “. Esto abarcaría todos los aspectos diferentes y novedosos de la biofabricación, sin embargo, también incluiría varios otros campos de investigación y procesos naturales.
Tecnologías de biofabricación para aplicaciones de TE y RM
Aquí nos centramos en la tecnología de biofabricación que utiliza células y materiales como bloques de construcción, y que se utiliza principalmente para aplicaciones de TE y RM. Nuestro objetivo es resumir, especificar y clasificar las actividades de investigación de Biofabricación de rápido crecimiento y divergencia en el campo. El uso de tecnologías de impresión para el posicionamiento 3D de las células fue demostrado por primera vez en 1988 por Klebe bajo el término citoscripción. A pesar del carácter verdaderamente pionero de este trabajo y posiblemente porque hubo un largo intervalo antes de que los investigadores volvieran al concepto, este término no fue recogido por la literatura posterior. El término ‘impresión de órganos’, por otro lado, apareció por primera vez en 2003 y se definió como ‘ una tecnología de impresión 3 D rápida asistida por computadora de prototipos , basada en el uso de la deposición capa por capa de células y / o agregados celulares en un Gel 3D con maduración secuencial de la construcción impresa en tejido u órganos vivos perfundidos y vascularizados ‘. La ‘impresión de órganos’ todavía se usa con frecuencia, particularmente en la literatura popular, sin embargo, su uso actual es a menudo más amplio que esta definición original bastante limitada.
La evolución histórica del término Biofabricación, cuando se usa en el campo de TE y RM, ha ocurrido en paralelo con la evolución del término Bioimpresión y posiblemente esto ha llevado a una confusión y posible combinación de los dos términos, especialmente en el popular y medios periodísticos Según nuestro conocimiento, la bioimpresión se utilizó por primera vez como un término en el título del ‘ Taller sobre bioimpresión, biopatterning y bioensamblaje ‘ celebrado en la Universidad de Manchester, Reino Unido, en 2004. En un informe sobre esta reunión, Mironov, Reis y Derby declaró: ‘ Para el propósito de la reunión, Bioprinting se definió como: El uso de procesos de transferencia de material para modelar y ensamblar materiales biológicamente relevantes (moléculas, células, tejidos y biomateriales biodegradables) con una organización prescrita para lograr uno o más funciones biológicas “. El término Bioimpresión se utilizó posteriormente para describir específicamente un proceso en el que se utiliza una herramienta de fabricación mecánica para organizar o modelar entidades biológicas en dos o tres dimensiones para construir una construcción artificial. En 2010, Guillemot et al definieron Bioprinting como ‘ el uso de procesos de transferencia asistidos por computadora para modelar y ensamblar materiales vivos y no vivos con una organización 2D o 3D prescrita con el fin de producir estructuras biotecnológicas que sirvan en medicina regenerativa, farmacocinética y básica estudios de biología celular ‘. Por lo tanto, está claramente relacionado con el desarrollo paralelo de la fabricación aditiva que surgió como una herramienta de fabricación de ingeniería. En consecuencia, la biofabricación se definió por primera vez por Mironov et al en el número inaugural de la revista Biofabrication en 2009 como “ la producción de productos biológicos complejos vivos y no vivos a partir de materias primas como células vivas, moléculas, matrices extracelulares y biomateriales ”.
Es evidente que los términos Bioimpresión y Biofabricación están estrechamente relacionados, y dado que sus respectivas definiciones existentes se superponen, es extremadamente difícil diferenciarlos de manera efectiva. Como consecuencia, a menudo se usan de manera inconsistente o intercambiable, lo que subraya la necesidad de aclaración. Como lo señalaron recientemente Hutmacher y sus colegas, sería beneficioso desarrollar una nueva norma ASTM / ISO, o definir una nueva sub-norma bajo ASTM F2792 para definir inequívocamente los términos Biofabricación y Bioimpresión. Más allá de este enfoque más técnico, y como ya lo sugirieron Boland y Mironov, creemos que determinar el posicionamiento de la biofabricación como un campo de investigación y su relación con TE y RM ayudará a aclarar estas definiciones.
La biofabricación y su relación con TE y RM
TE se definió en 1993 como ” un campo interdisciplinario que aplica los principios de ingeniería y ciencias de la vida hacia el desarrollo de sustitutos biológicos que restauran, mantienen o mejoran la función biológica del tejido o un órgano completo “. El campo de TE ha crecido y expandido desde 1993, y su definición se ha ampliado en consecuencia. En 2007, por ejemplo, 12 agencias federales en los EE. UU. Propusieron una definición combinada de Tissue Science y TE como: ‘ El uso de procesos físicos, químicos, biológicos y de ingeniería para controlar y dirigir el comportamiento agregado de las células ‘. Más importante aún, el campo de la RM se ha definido como ” la aplicación de la ciencia de los tejidos, la ingeniería de tejidos y los principios biológicos y de ingeniería relacionados que restauran la estructura y la función de los tejidos y órganos dañados “. Esto incluye no solo la generación in vivo sino también in vitro de análogos de tejidos funcionales para diversos fines, como pruebas de drogas, modelos de enfermedades, incluidos los enfoques de células / tejidos / órganos en un chip. Dentro de TE y RM, Biofabrication proporciona una tecnología central y vital para estas aplicaciones emergentes que no se limita simplemente a los enfoques de fabricación aditiva.
Por lo tanto, consideramos que el área general de la biofabricación dentro del contexto de TE y RM debe distinguirse de su uso en el área de procesos naturales, como la biomineralización, y limitarse a los procesos de fabricación como se discutió anteriormente. Dentro de este espacio tecnológico, proponemos que existen dos metodologías distintas que se pueden distinguir por la escala de longitud de la unidad de fabricación mínima (píxel o voxel).
Para Bioprinting, la unidad de fabricación mínima se reduce al nivel molecular. En el caso de Bioassembly, las unidades de fabricación mínimas son bloques de construcción preconformados que contienen celdas con tamaños lo suficientemente grandes como para que se pueda lograr tecnológicamente el ensamblaje automatizado. Notamos que el objetivo de la biofabricación es generar una construcción con función biológica. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, ni Bioprinting ni Bioassembly describen completamente el proceso completo de biofabricación, que generalmente depende de una fase de maduración para el ensamblaje pre-tejido construido para permitirle desarrollar una estructura funcional continua y coherente. Este proceso de maduración puede ocurrir in vitro con una fase de cultivo, típicamente adoptando el uso de tecnología de biorreactor, o posiblemente in vivo después del trasplante.
Teniendo en cuenta estas actividades de investigación dinámicas y en evolución y desarrollos de diferentes aspectos tecnológicos, sugerimos la siguiente definición de trabajo revisada de Biofabricación para TE y RM como ‘ la generación automatizada de productos biológicamente funcionales con organización estructural a partir de células vivas, moléculas bioactivas, biomateriales, agregados celulares tales como micro-tejidos, o construcciones híbridas de material celular, a través de Bioprinting o Bioassembly y procesos posteriores de maduración de tejidos ‘.