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 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 altri termini usati per descrivere questa tecnica di creazione di oggetti o entità complesse mediante la stratificazione di materiale e la costruzione graduale – o semplicemente un metodo "additivo". Questa straordinaria tecnologia esiste da tre decenni, essendo stata ufficialmente scoperta nel 1987, ma solo recentemente ha acquisito notorietà e popolarità non solo come mezzo per produrre prototipi, ma anche come strumento per la realizzazione di componenti funzionali a tutti gli effetti. Il potenziale della stampa 3D è tale che sta ora guidando importanti innovazioni in molti settori, tra cui l'ingegneria, la produzione e la medicina.
Sono disponibili diversi metodi di produzione additiva che seguono gli stessi passaggi per ottenere il risultato finale. Nella prima fase cruciale, il progetto viene creato utilizzando un software CAD (Computer-Aided Design) su un computer, chiamato progetto digitale. Questo software è in grado di prevedere l'aspetto e il comportamento della struttura finale, pertanto questa prima fase è fondamentale per un buon risultato. Il progetto CAD viene quindi convertito in un formato tecnico (chiamato file .stl o Standard Tessellation Language) necessario alla stampante 3D per interpretare le istruzioni di progettazione. Successivamente, la stampante 3D deve essere configurata (in modo simile a una normale stampante 2D domestica o da ufficio) per la stampa vera e propria: ciò include la configurazione delle dimensioni e dell'orientamento, la scelta tra stampa orizzontale o verticale e il riempimento delle cartucce con la polvere appropriata. La stampante 3D avvia quindi il processo di stampa, costruendo gradualmente il progetto uno strato microscopico di materiale alla volta. Questo strato ha in genere uno spessore di circa 0.1 mm, ma può essere personalizzato per adattarsi a un particolare oggetto da stampare. L'intera procedura è in gran parte automatizzata e non richiede alcun intervento fisico, ma solo controlli periodici per garantirne il corretto funzionamento. La realizzazione di un singolo oggetto richiede da diverse ore a diversi giorni, a seconda delle dimensioni e della complessità del progetto. Inoltre, essendo una metodologia "additiva", risulta economica, ecologica (senza sprechi) e offre una gamma di possibilità di progettazione molto più ampia.
Il livello successivo: Bioprinting 3D
La biostampa è un'estensione della stampa 3D tradizionale, i cui recenti progressi hanno permesso di applicarla a materiali biologici viventi. Mentre la stampa 3D a getto d'inchiostro è già utilizzata per sviluppare e produrre dispositivi e strumenti medici avanzati, è necessario un ulteriore passo avanti per stampare, visualizzare e comprendere le molecole biologiche. La differenza cruciale risiede nel fatto che, a differenza della stampa a getto d'inchiostro, la biostampa si basa su un bioinchiostro, composto da strutture cellulari viventi. Pertanto, nella biostampa, una volta inserito un particolare modello digitale, il tessuto vivente specifico viene stampato e costruito strato dopo strato di cellule. A causa dell'elevata complessità dei componenti cellulari del corpo vivente, la biostampa 3D sta progredendo lentamente e complessità come la scelta di materiali, cellule, fattori e tessuti pongono ulteriori sfide procedurali. Queste complessità possono essere affrontate ampliando la comprensione attraverso l'integrazione di tecnologie provenienti da campi interdisciplinari come la biologia, la fisica e la medicina.
Grandi progressi nella bioprinting
In uno studio pubblicato su Advanced Functional Materials , i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di biostampa 3D che utilizza cellule e molecole normalmente presenti nei tessuti naturali (il loro ambiente nativo) per creare strutture o disegni che assomigliano a vere e proprie strutture biologiche. Questa particolare tecnica di biostampa combina l'autoassemblaggio molecolare con la stampa 3D per creare complesse strutture biomolecolari. L'autoassemblaggio molecolare è un processo mediante il quale le molecole assumono autonomamente 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 reso possibile dall'autoassemblaggio molecolare. Sfrutta il potere dell'autoassemblaggio molecolare per stimolare le cellule che vengono stampate, un aspetto che altrimenti rappresenta un limite della stampa 3D tradizionale, in quanto i normali inchiostri per la stampa 3D non offrono questa possibilità.
I ricercatori hanno "incorporato" delle strutture in un "bioinchiostro" simile al loro ambiente nativo all'interno del corpo, facendo sì che le strutture si comportassero come farebbero all'interno dell'organismo. Questo bioinchiostro, chiamato anche inchiostro autoassemblante, aiuta a controllare o modulare le proprietà chimiche e fisiche durante e dopo la stampa, consentendo così di stimolare di conseguenza il comportamento cellulare. L'esclusivo meccanismo applicato alla biostampa ci permette di osservare come queste cellule funzionano all'interno del loro ambiente, fornendoci un'istantanea e una comprensione di uno scenario biologico reale. Ciò apre la possibilità di costruire strutture biologiche tridimensionali stampando diversi tipi di biomolecole in grado di assemblarsi in strutture ben definite a diverse 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 3D a getto d'inchiostro in generale è stato lo sviluppo di un software avanzato e sofisticato per affrontare la sfida iniziale della stampa: la creazione di un progetto o di un modello appropriato. Ad esempio, il modello di oggetti inanimati può essere creato facilmente, ma quando si tratta di creare modelli digitali di un fegato o di un cuore, la situazione è complessa e non immediata come per la maggior parte degli oggetti materiali. La biostampa offre indubbiamente numerosi vantaggi – controllo preciso, ripetibilità e design personalizzato – ma è ancora afflitta da diverse sfide, la più importante delle quali è l'inclusione di più tipi di cellule in una struttura spaziale, poiché un ambiente vivente è dinamico e non statico. Questo studio ha contribuito al progresso della biostampa 3D e molti ostacoli possono essere superati seguendo i suoi principi. È chiaro che il vero successo della biostampa è legato a diversi fattori. L'aspetto più cruciale che può potenziare la biostampa è lo sviluppo di biomateriali pertinenti e appropriati, il miglioramento della risoluzione di stampa e anche la vascolarizzazione per poter applicare con successo questa tecnologia in ambito clinico. Sembra impossibile "creare" organi completamente funzionanti e vitali per il trapianto umano tramite la biostampa, eppure questo campo sta progredendo rapidamente e in pochi anni si sono già registrati numerosi sviluppi all'avanguardia. Dovrebbe essere possibile superare la maggior parte delle sfide legate alla biostampa, dato che ricercatori e ingegneri biomedici sono già sulla buona strada per realizzare con successo sistemi di biostampa complessi.
Alcuni problemi con il Bioprinting
Un punto critico sollevato nel campo della biostampa è che, allo stato attuale, è quasi impossibile testare l'efficacia e la sicurezza di qualsiasi trattamento biologico "personalizzato" offerto ai pazienti utilizzando questa tecnica. Inoltre, i costi associati a tali trattamenti rappresentano un grosso problema, soprattutto per quanto riguarda la produzione. Sebbene sia possibile sviluppare organi funzionali in grado di sostituire organi umani, anche in questo caso, attualmente non esiste un metodo infallibile per valutare se il corpo del paziente accetterà il nuovo tessuto o l'organo artificiale generato e se tali trapianti avranno successo.
La biostampa è un mercato in crescita e si concentrerà sullo sviluppo di tessuti e organi; forse tra qualche decennio vedremo nuovi risultati nell'ambito degli organi umani e dei trapianti stampati in 3D . La biostampa 3D continuerà a essere lo sviluppo medico più importante e rilevante della nostra epoca.
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Fonte (s)
Hedegaard CL 2018. Autoassemblaggio gerarchico guidato idrodinamicamente di bioinchiostri peptidici-proteici. Advanced Functional Materials . https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
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