A impressão tridimensional (3D) de uma forma geral, é uma tecnologia industrial que começou a ser utilizada recentemente, a primeira impressão 3D ocorreu em 1988, na ocasião ela objetivava produzir uma cópia fiel dos objetos desenhados, útil para designer, mecânicos, engenharia, siderurgia ou construção de peças industriais.
A sua qualidade e eficácia despertou interesses da indústria hospitalar que no início do século XXI começou a usa-la para fabricar ferramentas cirúrgicas, incluindo fórceps, grampos, retratores e continua desempenhando inclusive um papel fundamental no crescente desenvolvimento de melhores equipamentos médicos.
Em seguida na medicina a tecnologia tridimensional foi usada para se fazer peças metálicas leves, objetos de implantes de titânio e aço inoxidável personalizadas e compactas que exercem sua funcionalidade em formato de órteses e próteses. Com a impressora inicialmente também se fizeram e fazem réplicas exatas em anatomia, da coluna vertebral, do crânio e membros humanos. Em muitos hospitais modelos anatômicos extremamente precisos e detalhados ajudam os profissionais da saúde a se prepararem para procedimentos complexos e eficientes, resultando em melhores resultados, cirurgias menos invasivas e redução no tempo gasto na cirurgias.
Atualmente essa biotecnologia já foi testada para desenvolver mais do que implantes dentários, um dos primeiros usos medicamente aprovados da impressão 3D. Agora, de acordo com um estudo publicado no Jornal da “American Academy of Orthopaedic Surgeons”, a tecnologia tem o potencial de transformar completamente a maneira como os cirurgiões tratam pacientes com lesões musculoesqueléticas graves, e os pacientes que necessitam de transplantes de órgãos.
Conhecida com a “Bio-impressão” ou “Manufatura Aditiva” na medicina, é um processo de união de fabricação de materiais, camada por camada para construir uma prótese ou órgão humano a partir de dados tridimensionais. Isso possibilita a construção de dispositivos com estruturas intrincadas, cavidades internas e geometrias não convencionais que são perfeitas e eram impossíveis de construir anterior a tecnologia da impressão em 3D.
Esse tipo de tecnologia empregada à medicina está se desenvolvendo rapidamente, a origem da impressão 4D está na chegada do fator tempo à impressão 3D que abriu todas essas possibilidades á nanoescala: uma nova fronteira na engenharia biomédica, que carrega a esperança de podermos zerar globalmente as filas de pacientes à espera de transplantes. Os profissionais da saúde nos EUA e o Canada e alguns países europeus já usam a bio-impressão para criarem organismos artificias ou em partes que correspondam especificamente à anatomia de órgão especifico de um paciente, usando o DNA individual e todas a demais especificidades de cada ser.
Futuro do 4D é Agora!
Peças inteligentes que reagem ao ambiente e se transformam com o tempo, utensílios que se adaptam sozinhos, canais que regulam sua largura de acordo com o caudal, próteses que se adaptam, e o melhor, réplicas de órgãos humanos que funcionam perfeitamente, reproduzindo as ações de vários tipos de células, tecidos que crescem e que imitam de forma ideal os órgãos e a fazem interação química no corpo humano, são algumas das possibilidades desta tecnologia na saúde humana.
No ano de 2015 uma equipe médica da Universidade de Michigan salvou a vida de três crianças com problemas respiratórios colocando nelas um implante. Esse artefato de policaprolactona, foi concebido e impresso à medida de cada paciente.
A bio-impressão também já é utilizada com sucesso para restauração interna no organismo (ossos) e pesquisas avançadas são realizadas para a criação de órgãos humanos artificiais funcionais que evitem a rejeição, sejam duráveis, que se adaptam ao crescimento e se desintegram quando já não são necessárias.
Daniel Bomze, Diretor de Soluções Médicas da Lithoz, fala-me sobre o mundo futurista dos materiais de substituição óssea. No mundo da medicina, a necessidade de substituir o osso pode surgir em várias situações, por exemplo, traumatismo craniano com hemorragia cerebral em que é necessário cortar o osso. Nesse cenário, um procedimento padrão seria o uso de implantes de placas metálicas na cabeça do paciente. No entanto, o metal é um condutor de calor tão bom que até mesmo um banho quente pode ser doloroso; até mesmo a exposição ao sol às vezes resulta em queimaduras. Se a cirurgia for em uma criança, você deve substituir a placa de metal à medida que a criança cresce, resultando em operações mais traumáticas. “A substituição de implantes metálicos por um material que será reabsorvido, permitindo que o osso real regenere, é ótimo para os pacientes.”
Outra área em que a bio-impressão em nanoescala está causando um impacto significativo é nos sistemas de administração de medicamentos. Muitos medicamentos convencionais geralmente sofrem de problemas como baixa biodisponibilidade, direcionamento inadequado e efeitos colaterais sistêmicos. No entanto, a impressão em nanoescala permite a criação de medicamentos com controle preciso sobre sua forma, composição e aço, permitindo o desenvolvimento de terapias mais eficazes e direcionadas. Por exemplo, os pesquisadores querem usar a impressão em nanoescala para criar nanopartículas que podem fornecer medicamentos diretamente às células cancerígenas, minimizando o impacto nos tecidos saudáveis, reduzindo o risco de efeitos colaterais.
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Como funciona.
A bio-impressão 4D recorre às mesmas características da 3D para criar objetos tridimensionais vivos sin cables ni circuitos. Faz isso utilizando materiais inteligentes, que podem ser programados para mudarem de forma, cor ou tamanho ao receberem um estímulo musculares ou químicos.
A bio-impressão em 4 D vem evoluindo em nanoescala na engenharia biomédica, abrindo novas possibilidades para o desenvolvimento de novos dispositivos médicos avançados, sistemas de administração de medicamentos e engenharia de tecidos. Essa tecnologia de ponta permite na fabricação estruturas em escala manométrica, permitirá que as impressoras criem materiais com precisão e complexidade sem precedentes. A engenharia de tecidos é outro campo que se beneficiará muito com os avanços da impressão em nanoescala. A capacidade de criar estruturas complexas em escala manométrica permite aos pesquisadores imitar a intrincada arquitetura dos tecidos naturais, o que é essencial para o desenvolvimento de substituições de tecidos funcionais. Por exemplo, os cientistas já usam em experimentos a impressão em nanoescala para induzir o crescimento de novo tecido ósseo, que pode ser a solução para reparar ossos danificados ou até mesmo substituir seções inteiras de ossos perdidos devido a lesões ou doenças.
A tecnologia emergente do 4D biológico, para transplante tornará possível que um objeto de transplantes, por exemplo, possa ser dobrado, consertado, remontado ou inclusive desintegrar-se sozinho. Esses organismos artificiais, são produzidos especificamente e os projetos podem ser alterados iterativamente, combinando materiais, interações químicas e uma fonte energética, no caso o corpo humano.
É o caso de resinas de hidrogel, polímeros ativos ou inclusive, tecidos vivos. São impressos em 4D com um projeto específico que com o tempo e ao entrar em contato com a umidade, a luz, a pressão ou a temperatura, entre outros fatores, evoluem em um organismo completando-o até a função prevista.
Produção
Geralmente, o processo de impressão de um órgão se inicia com a retirada de algumas células do paciente. Os médicos realizam uma biópsia em um órgão ou outro procedimento minimamente invasivo para remover uma pequena porção de tecido do paciente. Com essa amostra, os biomédicos são capazes de separar as células e expandi-las fora do corpo utilizando uma incubadora ou um biorreator. Esses equipamentos imitam a temperatura interna e a oxigenação do organismo humano, por isso conseguem criar células semelhantes às do corpo humano em tratamento. Além disso, a bio-impressão em nanoescala pode ser usada para criar medicamentos personalizados, que liberam o medicamentos lentamente ao longo do tratamento, proporcionando uma ação mais consistente e controlada do medicamento sem que provoque efeitos colaterais negativos.
Os médicos carregam as “impressoras de órgãos” com uma “biotinta”, composta de células vivas e uma substância em hidrogel, copiando uma planta digital e reproduzindo camadas sucessivas usando filamentos e luz ultravioleta A criação de tecidos com propriedades personalizadas se faz possível por meio de impressoras programadas por meio de dados químicos e de imagem de raios-x de um paciente.
Desafios
Após serem impressos, os órgãos precisam ser colocados em um biorreator para serem perfurados e receberem sangue. Caso contrário, as células fabricadas morrem. Por enquanto, essa é a etapa mais complexa da inovação tecnológica. O próximo passo será a implantação no corpo humano.
Os pesquisadores acreditam que a tecnologia da bio-impressão se tornará mais acessível do que um transplante, visto que para manter um paciente com falência de rins, por exemplo, em diálise, custa para cada paciente mais de $ 200 mil dólares por ano. A bio-impressora poderá criar rins e órgãos custando em média $ 150 mil dólares, sem os entraves de falência ou rejeição.
O processo tem duração variada, a depender do órgão ou tecido a ser impresso e da necessidade de precisão. “O desafio final é fazer com que os órgãos realmente funcionem como deveriam”, afirmam os pesquisadores do Instituto Tecnológico de Massachussetts (MIT) que divulgaram recentemente no periódico científico Science Robotics um estudo inédito sobre a bio-impressão de uma réplica funcional que usou na elaboração imagens e dados reais quadrimensionais de um coração que foi transplantado em um paciente. Os cientistas não estão longe criarem corações funcionais personalizados às peculiaridades de cada paciente que imita perfeitamente o coração humano. O trunfo deste caso foi fazer com que o órgão artificial fosse sincronizado com a dinâmica real do sangue do paciente (a hemodinâmica).
Ele também acredita que a impressão 3D deve ser uma colaboração entre cirurgiões e engenheiros porque os cirurgiões que aprenderem a projetar um guia para impressão 3D terão uma vantagem sobre os outros. “Mas há certas cirurgias que não foram tentadas antes, especialmente para crianças menores, que agora podem ser realizadas com muito mais confiança”, afirmou, acrescentando que eventualmente a tecnologia de impressão 3D será totalmente integrada ao currículo médico.
Estudos de estratégia e incubação da Universidade Hewlett Packard, crê que em 10 anos a bio-impressão e outras novas tecnologias que estão surgindo “obterão eficácia total pela medicina personalizada”. E, conclui: “A demanda já é substancial – o mercado de soluções médicas personalizadas, incluindo órteses, próteses e transplantes, está avaliado em aproximadamente US$ 30 bilhões – e a necessidade cresce exponencialmente. A OMS estima que hoje quase 1 bilhão de pessoas precisam ou viva com algum produto assistivo ou transplante e espera-se que com o envelhecimento das populações mais de dois bilhões pessoas em todo o mundo precisem de pelo menos um produto assistivo ou transplante até 2030.”
Uma postagem no site da American Hospital Association relata que, os investimentos em bio-impressão continuam a crescer em todos os setores, o número de empresas de engenharia médica de biotecnologias continuam a evoluir, a GlobalData espera ver aplicações médicas ainda mais inovadoras para essa tecnologia nos hospitais mundo daqui a uma década, já são mais de 200 centros de pesquisas e laboratórios de Bio-impressão em hospitais nos EUA.
No Brasil já existem cerca de uma dúzia empresas nativas de bio-impressão, a maioria com tecnologias em 3D (órtese e próteses) algumas vinculadas á hospitais, que até então sobrevivem sem o apoio de políticas públicas ou de uma legislação que favoreça os seus desenvolvimentos.
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