L’idea che gli scienziati sviluppino parti del corpo in laboratorio di solito evoca immagini di fantascienza, troppo inverosimile per essere mai considerata al di fuori di uno stereotipo di scienziato pazzo. In realtà, i settori dell’ingegneria medica e dei tessuti hanno fatto grandi progressi nell’utilizzo della tecnologia di stampa 3D in combinazione con materiali biologici per fare proprio questo. Oggi il bioprinting o biostampa 3D sta facendo grandi passi in avanti e si propone per essere una delle rivoluzioni più importanti del panorama medico globale.

Cos’è la stampa 3D?

La stampa 3D è un termine generico per la creazione di un oggetto 3D utilizzando vari approcci di produzione. Il materiale più comune ora è la plastica liquida che viene spruzzata da una testina di stampa simile a un getto di inchiostro, strato dopo strato, in un modello che si solidifica creando un oggetto 3D.

Ci sono volute diverse importanti scoperte per arrivare a questo punto. La stampa 3D simile alla forma che vediamo oggi è stata brevettata per la prima volta nel 1988 come “Fused Deposition Modeling” (FDM). FDM prende una bobina di materiale termoreattivo come metallo o plastica e alimenta i fili da quella bobina a una testina di stampa. Qui il materiale del filo viene fuso ed estruso attraverso il macchinario di stampa in modo che possa essere aggiunto in un modello specifico come l’inchiostro. Quando il materiale si raffredda, l’oggetto assume una forma solida.

L’idea della stampa 3D non è cambiata molto da questo brevetto originale, ma il termine stampa 3D non ha preso piede fino al 1993, anno in cui le teste della stampante sono state ottimizzate al MIT. Lì hanno iniziato a utilizzare il processo del letto di polvere utilizzato dalla maggior parte delle stampanti a getto d’inchiostro, dove uno strato di polvere è depositato tra strati di “inchiostro” (in questo caso plastica liquida) per aiutare gli strati a restare uniti.

Dal 1993, le nuove aziende hanno ampliato enormemente la stampa 3D per renderla disponibile per uso commerciale o per avere a casa o in laboratorio. C’è anche una forte spinta per la stampa 3D per essere una forma di costruzione sostenibile, usando come materia prima pellet di plastica riciclata.

L’utilizzo principale della stampa 3D è il design dell’oggetto 3D, generalmente creato con la progettazione assistita da computer (CAD). In commercio oggi ci sono un certo numero di pacchetti software sia open source che a pagamento specializzati per la stampa 3D. Questi vanno da software per hobbisti a quelle specificamente mirato ad applicazioni bioprinting o biostampa 3D. È interessante notare che gli oggetti di plastica stampati in 3D tradizionali vengono sempre più utilizzati in biologia. Molti ricercatori hanno avviato la stampa 3D di rack per tubi personalizzati, parti di apparecchiature e persino stampa 3D di un supporto speciale per vetrini coprioggetti!

Come si stampa con materiali biologici?

Il bioprinting 3D prevede l’effettiva stampa 3D di due materiali:

• l’impalcatura biomateriale o non vivente che supporterà i materiali viventi
• il ” bioink ” o parti viventi della struttura, che renderizzeranno la struttura cellulare.

Sia il biomateriale che il bioink variano in larga misura in base all’applicazione, ma esistono generalizzazioni. Un biomateriale è definito come qualsiasi materiale che è progettato per interagire con un sistema vivente. Questi sono di solito una forma di idrogel che funge da matrice extracellulare e contiene segnali chimici e biofisici specifici per istruire il bioink.

Il Bioink è generalmente una miscela di “liquami” cellulari con uno o più tipi di cellule a seconda dell’applicazione specifica. Entrambi i componenti presentano due importanti problemi di ottimizzazione: funzionalizzazione ed estrusione.La biostampa si basa ancora in gran parte sulle tecniche FDM per costruire oggetti, al contrario dei meccanismi di stampa a getto d’inchiostro. Ciò è dovuto alla natura dei materiali e alla capacità di farli passare attraverso un ugello stretto mantenendo la loro capacità funzionale intatta.

Quali sono le applicazioni del bioprinting 3D?

Ci sono tre focus principali nel campo del bioprinting 3D.

• Biomimetica – Questo è il vero tentativo di realizzare parti del corpo funzionali in laboratorio. Come suggerisce il nome, queste applicazioni stanno cercando di imitare completamente un sistema biologico, nella speranza di fornire una sostituzione totale o parziale di quel sistema biologico quando necessario. Studiare come le cellule organizzate all’interno di questi precisi microambienti ora ha permesso ai ricercatori di ingegnerizzare meglio quei microambienti. Dato l’enorme divario tra la grande necessità di trapianti di organi e il numero di organi disponibili, questo è un obiettivo ambizioso.
• Autoassemblaggio – Quest’area di ricerca combina i principi alla base degli organoids, uno sviluppo scientifico moderno che utilizza le colture cellulari tridimensionali per modellare le funzionalità importanti di interi organi, con quello della stampa 3D. Il biomateriale e il bioink sono generalmente premiscelati e stampati insieme come un tipo di sferoide, consentendo alle cellule di espandersi da sole in un ambiente 3D. Le cellule staminali sono spesso utilizzate come bioink, dando all’intero oggetto la capacità di differenziarsi ulteriormente. Se utilizzato con singole cellule staminali pluripotenti indotte, questo campo ha il potenziale per rivoluzionare la medicina personalizzata.
• Mini tessuti – Qui la biostampa 3D si combina di nuovo con un’altra tecnica di tendenza, la microfluidica. Alla base di questa c’è l’idea che ogni organo o tessuto è formato da blocchi fondamentali. È quindi possibile ricreare quei blocchi predefiniti in miniatura per facilitarne la manipolazione e lo studio. Spesso questo comporta il flusso di liquido attraverso l’oggetto stampato in 3D per emulare il flusso sanguigno attraverso la microvascolarizzazione. Mini tessuti o organi su un chip potrebbero non avere un impatto diretto sui pazienti, ma sono diventati la norma per comprendere la biologia fondamentale degli eventi su scala tissutale.

Cosa sta succedendo ora e dove sta andando questo campo?

Con i risultati di PubMed che appaiono per la prima volta nel 2007 e un aumento significativo delle pubblicazioni a partire dal 2013, sebbene nuovo, il campo ha catturato l’attenzione degli scienziati e del pubblico in generale. Il bioprinting 3D è stato utilizzato per studiare o imitare ogni sistema di organi del corpo umano. Inoltre, la scala della stampa 3D per l’uso negli esseri umani è stata dimostrata possibile, ma la funzionalità completa e la durata di un organo trapiantabile non è stata dimostrata.

È probabile che prima vedrete emergere tecnologie che si concentrano su organoidi stampati in 3D o mini-tessuti per test di laboratorio su composti, come cosmetici. Sebbene non siano stati ancora creati organi artificiali funzionali, si può affermare che questo è all’orizzonte e rappresenta un avanzamento rivoluzionario nella tecnologia medica. Essendo questa tecnologia così nuova, le implicazioni etiche sono ben lungi dall’essere risolte. Una recente revisione delle opinioni socioetiche del bioprinting ha scoperto che non si tratta di un argomento attualmente in discussione al di fuori delle scienze biomediche. Per la biostampa 3D per realizzare il suo pieno potenziale, le implicazioni etiche e le pratiche per affrontarle dovranno evolversi altrettanto velocemente della tecnologia stessa.