Che cos'è il bioprinting?

La bioprinting, un tipo di stampa 3D, utilizza cellule e altri materiali biologici come "inchiostri" per fabbricare strutture biologiche 3D. I materiali bioprintati hanno il potenziale per riparare organi, cellule e tessuti danneggiati nel corpo umano. In futuro, il bioprinting potrebbe essere utilizzato per costruire interi organi da zero, una possibilità che potrebbe trasformare il campo del bioprinting.

Materiali che possono essere bioprintati

I ricercatori hanno studiato la bioprinting di molti diversi tipi di cellule, tra cui cellule staminali, muscolari e endoteliali. Diversi fattori determinano se un materiale può essere bioprintato o meno. Innanzitutto, i materiali biologici devono essere biocompatibili con i materiali nell'inchiostro e nella stampante stessa. Inoltre, anche le proprietà meccaniche della struttura stampata, nonché il tempo necessario affinché l'organo o il tessuto maturino, influenzano il processo.

I bioink in genere rientrano in uno di due tipi:

Gel a base d'acqua, o idrogel, agiscono come strutture 3D in cui le cellule possono prosperare. Le celle contenenti idrogel vengono stampate in forme definite e i polimeri negli idrogel vengono uniti o "reticolati" in modo che il gel stampato diventi più forte. Questi polimeri possono essere derivati naturalmente o sintetici, ma dovrebbero essere compatibili con le cellule.
Aggregati di cellule che si fondono spontaneamente nei tessuti dopo la stampa.

Come funziona la bioprinting

Il processo di bioprinting ha molte somiglianze con il processo di stampa 3D. Il bioprinting è generalmente suddiviso nei seguenti passaggi:

Pre-elaborazione: Viene preparato un modello 3D basato su una ricostruzione digitale dell'organo o del tessuto da bioprintare. Questa ricostruzione può essere creata sulla base di immagini catturate in modo non invasivo (ad esempio con una risonanza magnetica) o attraverso un processo più invasivo, come una serie di sezioni bidimensionali riprese con i raggi X.
in lavorazione: Viene stampato il tessuto o l'organo basato sul modello 3D nella fase di preelaborazione. Come in altri tipi di stampa 3D, gli strati di materiale vengono aggiunti successivamente per stampare il materiale.
Post produzione: Vengono eseguite le procedure necessarie per trasformare la stampa in un organo o tessuto funzionale. Queste procedure possono includere il posizionamento della stampa in una camera speciale che aiuta le cellule a maturare correttamente e più rapidamente.

Tipi di bioprinter

Come con altri tipi di stampa 3D, i bioink possono essere stampati in diversi modi. Ogni metodo ha i suoi vantaggi e svantaggi distinti.

Bioprinting basato su getto d'inchiostro agisce in modo simile a una stampante a getto d'inchiostro per ufficio. Quando un disegno viene stampato con una stampante a getto d'inchiostro, l'inchiostro viene lanciato attraverso molti piccoli ugelli sulla carta. Questo crea un'immagine fatta di tante goccioline così piccole da non essere visibili alla vista. I ricercatori hanno adattato la stampa a getto d'inchiostro per la bioprinting, inclusi metodi che utilizzano il calore o le vibrazioni per spingere l'inchiostro attraverso gli ugelli. Queste bioprinter sono più convenienti di altre tecniche, ma sono limitate ai bioink a bassa viscosità, che a loro volta potrebbero limitare i tipi di materiali che possono essere stampati.
Laser-assistita bioprinting utilizza un laser per spostare le cellule da una soluzione su una superficie con elevata precisione. Il laser riscalda parte della soluzione, creando una sacca d'aria e spostando le celle verso una superficie. Poiché questa tecnica non richiede piccoli ugelli come nella bioprinting a getto di inchiostro, è possibile utilizzare materiali a viscosità più elevata, che non possono scorrere facilmente attraverso gli ugelli. La bioprinting laser assistita consente anche una stampa di altissima precisione. Tuttavia, il calore del laser potrebbe danneggiare le celle in fase di stampa. Inoltre, la tecnica non può essere facilmente "ingrandita" per stampare rapidamente strutture in grandi quantità.
Bioprinting basato sull'estrusione usa la pressione per forzare il materiale fuori da un ugello per creare forme fisse. Questo metodo è relativamente versatile: i biomateriali con diverse viscosità possono essere stampati regolando la pressione, anche se è necessario prestare attenzione poiché pressioni più elevate hanno maggiori probabilità di danneggiare le cellule. La bioprinting basata sull'estrusione può probabilmente essere adattata alla produzione, ma potrebbe non essere precisa come altre tecniche.
Bioprinter per elettrospray ed elettrospinning fare uso di campi elettrici per creare goccioline o fibre, rispettivamente. Questi metodi possono avere una precisione a livello di nanometri. Tuttavia, utilizzano una tensione molto elevata, che potrebbe non essere sicura per le celle.

Applicazioni della bioprinting

Poiché il bioprinting consente la costruzione precisa di strutture biologiche, la tecnica può trovare molti usi nella biomedicina. I ricercatori hanno utilizzato la bioprinting per introdurre le cellule per aiutare a riparare il cuore dopo un infarto e per depositare le cellule nella pelle ferita o nella cartilagine. Il bioprinting è stato utilizzato per fabbricare valvole cardiache per un possibile uso in pazienti con malattie cardiache, costruire tessuti muscolari e ossei e aiutare a riparare i nervi.

Sebbene sia necessario lavorare di più per determinare come questi risultati potrebbero funzionare in un contesto clinico, la ricerca mostra che la bioprinting potrebbe essere utilizzata per aiutare a rigenerare i tessuti durante l'intervento chirurgico o dopo l'infortunio. Le bioprinter potrebbero, in futuro, consentire anche a interi organi come fegati o cuori di essere realizzati da zero e utilizzati nei trapianti di organi.

Bioprinting 4D

Oltre alla bioprinting 3D, alcuni gruppi hanno anche esaminato la bioprinting 4D, che tiene conto della quarta dimensione del tempo. La bioprinting 4D si basa sull'idea che le strutture 3D stampate potrebbero continuare ad evolversi nel tempo, anche dopo che sono state stampate. Le strutture possono quindi cambiare forma e / o funzione se esposte al giusto stimolo, come il calore. La bioprinting 4D può trovare impiego in aree biomediche, come la creazione di vasi sanguigni sfruttando il modo in cui alcuni costrutti biologici si piegano e rotolano.

Il futuro

Sebbene il bioprinting possa aiutare a salvare molte vite in futuro, una serie di sfide deve ancora essere affrontata. Ad esempio, le strutture stampate possono essere deboli e incapaci di mantenere la loro forma dopo che sono state trasferite nella posizione appropriata sul corpo. Inoltre, i tessuti e gli organi sono complessi e contengono molti tipi diversi di cellule disposte in modo molto preciso. Le attuali tecnologie di stampa potrebbero non essere in grado di replicare architetture così complesse.

Infine, anche le tecniche esistenti sono limitate a determinati tipi di materiali, una gamma limitata di viscosità e una precisione limitata. Ogni tecnica ha il potenziale per causare danni alle celle e agli altri materiali in fase di stampa. Questi problemi verranno affrontati mentre i ricercatori continuano a sviluppare la bioprinting per affrontare problemi di ingegneria e medici sempre più difficili.

Riferimenti

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