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Costruire strutture biologiche "reali" utilizzando la biostampa 3D

In un importante progresso nella tecnica di bioprinting 3D, cellule e tessuti sono stati creati per comportarsi come nel loro ambiente naturale in modo da costruire strutture biologiche "reali"

La stampa 3D è una procedura in cui un materiale viene aggiunto insieme e quindi unito o solidificato sotto il controllo digitale di un computer per creare un oggetto o un'entità tridimensionale. Prototipazione rapida e produzione additiva sono gli altri termini usati per descrivere questa tecnica di creazione di oggetti o entità complessi mediante stratificazione di materiale e costruzione graduale – o semplicemente un metodo 'additivo'. Questa straordinaria tecnologia è in circolazione da tre decenni dopo essere stata scoperta ufficialmente nel 1987, solo di recente è stata portata alla ribalta e alla popolarità non solo come mezzo per produrre prototipi, ma piuttosto come offerta di componenti funzionali a tutti gli effetti. Tale è il potenziale delle possibilità di 3D stampa che ora sta guidando importanti innovazioni in molti settori, tra cui l'ingegneria, la produzione e la medicina.

Sono disponibili diversi tipi di metodi di produzione additiva che seguono gli stessi passaggi per ottenere il risultato finale. Nella prima fase cruciale, il design viene creato utilizzando un software CAD (Computer-Aided-Design) su computer, chiamato progetto digitale. Questo software è in grado di prevedere come risulterà la struttura finale e anche come si comporterà, quindi questo primo passo è fondamentale per un buon risultato. Questo progetto CAD viene quindi convertito in un formato tecnico (chiamato file .stl o linguaggio di tessellation standard) necessario affinché la stampante 3D sia in grado di interpretare le istruzioni di progettazione. Successivamente, la stampante 3D deve essere configurata (simile a una normale stampante 2D per casa o ufficio) per la stampa effettiva: ciò include la configurazione delle dimensioni e dell'orientamento, la scelta di stampe orizzontali o verticali, il riempimento delle cartucce della stampante con la polvere giusta . Il stampante 3D quindi avvia il processo di stampa, costruendo gradualmente il disegno uno strato microscopico di materiale alla volta. Questo strato ha in genere uno spessore di circa 0.1 mm, sebbene possa essere personalizzato per adattarsi a un particolare oggetto da stampare. L'intera procedura è per lo più automatizzata e non è richiesto alcun intervento fisico, solo controlli periodici per garantire il corretto funzionamento. Un particolare oggetto richiede da diverse ore a giorni per essere completato, a seconda delle dimensioni e della complessità del disegno. Inoltre, poiché si tratta di una metodologia "additiva", è economica, ecologica (senza sprechi) e offre anche una portata molto maggiore per i progetti.

Il livello successivo: Bioprinting 3D

biostampa è un'estensione della stampa 3D tradizionale con i recenti progressi che consentono di applicare la stampa 3D a materiali viventi biologici. Sebbene la stampa a getto d'inchiostro 3D sia già utilizzata per sviluppare e produrre dispositivi e strumenti medici avanzati, è necessario sviluppare un ulteriore passo avanti per stampare, visualizzare e comprendere le molecole biologiche. La differenza cruciale è che, a differenza della stampa a getto d'inchiostro, la biostampa si basa sul bioinchiostro, che è composto da strutture cellulari viventi. Quindi, nella bioprinting, quando viene immesso un particolare modello digitale, il tessuto vivente specifico viene stampato e costruito strato per strato cellulare. A causa dei componenti cellulari altamente complessi del corpo vivente, la biostampa 3D sta progredendo lentamente e complessità come la scelta di materiali, cellule, fattori, tessuti pongono ulteriori sfide procedurali. Queste complessità possono essere affrontate ampliando la comprensione integrando tecnologie provenienti da campi interdisciplinari, ad esempio biologia, fisica e medicina.

Grandi progressi nella bioprinting

In uno studio pubblicato Materiali funzionali avanzati, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di bioprinting 3D che utilizza cellule e molecole normalmente presenti nei tessuti naturali (il loro ambiente nativo) per creare costrutti o progetti che assomigliano a strutture biologiche "reali". Questa particolare tecnica di bioprinting combina l'"autoassemblaggio molecolare" con la "stampa 3D" per creare strutture biomolecolari complesse. L'autoassemblaggio molecolare è un processo mediante il quale le molecole adottano da sole una disposizione definita per svolgere un compito specifico. Questa tecnica integra il "controllo micro e macroscopico delle caratteristiche strutturali" fornito dalla "stampa 3D" con il "controllo molecolare e su scala nanometrica" ​​consentito dall'"autoassemblaggio molecolare". Usa il potere dell'autoassemblaggio molecolare per stimolare le cellule che vengono stampate, che altrimenti è una limitazione nella stampa 3D quando il normale "inchiostro per stampa 3D" non fornisce questo mezzo per questo.

I ricercatori hanno "incorporato" le strutture in un "bio inchiostro" che è simile al loro ambiente nativo all'interno del corpo, facendo in modo che le strutture si comportino come farebbero nel corpo. Questo bioinchiostro, chiamato anche inchiostro autoassemblante, aiuta a controllare o modulare le proprietà chimiche e fisiche durante e dopo la stampa, consentendo quindi di stimolare di conseguenza il comportamento cellulare. Il meccanismo unico quando applicato bioprinting ci permette di fare osservazioni su come queste cellule funzionano all'interno dei loro ambienti, dandoci così un'istantanea e la comprensione del reale scenario biologico. Aumenta la possibilità di costruire strutture biologiche 3D stampando più tipi di biomolecole in grado di assemblarsi in strutture ben definite su più scale.

Il futuro è molto promettente!

La ricerca sulla bioprinting è già utilizzata per generare diversi tipi di tessuto e quindi può essere molto importante per l'ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa per soddisfare la necessità di tessuti e organi adatti al trapianto: pelle, ossa, innesti, tessuto cardiaco ecc. Inoltre, la tecnica apre una vasta gamma di possibilità per progettare e creare scenari biologici come ambienti cellulari complessi e specifici per consentire la prosperità dell'ingegneria dei tessuti creando oggetti o costrutti -sotto controllo digitale e con precisione molecolare- che assomigliano o imitano i tessuti del corpo. È possibile creare modelli di tessuti viventi, ossa, vasi sanguigni e, potenzialmente, di organi interi per procedure mediche, formazione, test, ricerca e iniziative di scoperta di farmaci. La generazione molto specifica di costrutti personalizzati specifici per il paziente può aiutare nella progettazione di trattamenti accurati, mirati e personalizzati.

Uno dei maggiori ostacoli per la biostampa e la stampa a getto d’inchiostro 3D in generale è stato lo sviluppo di un software avanzato e sofisticato per affrontare la sfida nella prima fase della stampa: creare un disegno o un modello appropriato. Ad esempio, il progetto di oggetti non viventi può essere creato facilmente, ma quando si tratta di creare modelli digitali, ad esempio, di un fegato o di un cuore, è impegnativo e non semplice come la maggior parte degli oggetti materiali. Il bioprinting presenta sicuramente numerosi vantaggi – controllo preciso, ripetibilità e progettazione individuale, ma è ancora afflitto da diverse sfide – la più importante delle quali è l’inclusione di più tipi di cellule in una struttura spaziale poiché un ambiente di vita è dinamico e non statico. Questo studio ha contribuito al progresso di Bioprinting 3D e molti ostacoli possono essere rimossi seguendo i loro principi. È chiaro che il vero successo del bioprinting ha diverse sfaccettature. L’aspetto più cruciale che può potenziare la biostampa è lo sviluppo di biomateriali pertinenti e appropriati, il miglioramento della risoluzione della stampa e anche la vascolarizzazione per poter applicare con successo questa tecnologia a livello clinico. Sembra impossibile "creare" organi pienamente funzionanti e vitali per i trapianti umani mediante la bioprinting, ma ciò nonostante questo campo sta progredendo rapidamente e molti sviluppi saranno in prima linea in pochi anni. Dovrebbe essere possibile superare la maggior parte delle sfide legate alla biostampa poiché ricercatori e ingegneri biomedici sono già sulla strada verso una biostampa complessa di successo.

Alcuni problemi con il Bioprinting

Un punto critico sollevato nel campo della bioprinting è che è quasi impossibile in questa fase testare l'efficacia e la sicurezza di eventuali trattamenti biologici "personalizzati" offerti ai pazienti utilizzando questa tecnica. Inoltre, i costi associati a tali trattamenti rappresentano un grosso problema, soprattutto per quanto riguarda la produzione. Sebbene sia assolutamente possibile sviluppare organi funzionali in grado di sostituire gli organi umani, attualmente non esiste un modo infallibile per valutare se il corpo del paziente accetterà nuovi tessuti o l'organo artificiale generato e se tali trapianti avranno successo Tutto.

Il bioprinting è un mercato in crescita e si concentrerà sullo sviluppo di tessuti e organi e forse tra qualche decennio si vedranno nuovi risultati negli organi umani stampati in 3D e trapianti. 3D bioprinting continuerà ad essere lo sviluppo medico più importante e rilevante della nostra vita.

***

{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}

Fonte (s)

Hedegaard CL 2018. Autoassemblaggio gerarchico guidato idrodinamicamente di bioinchiostri di proteine ​​peptidiche. Materiali funzionali avanzatihttps://doi.org/10.1002/adfm.201703716

Squadra SCIEU
Squadra SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Progressi significativi della scienza. Impatto sull'umanità. Menti ispiratrici.

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