Un nuovo modo di fare impresa – la biomedicina vuole sviluppare delle tecniche che consentano la personalizzazione dei trattamenti sul singolo paziente.
Il bioprinting, campo di avanguardia della stampa 3d, consente di creare organi e tessuti adattabili in base alle esigenze specifiche di un essere umano.
La strada da fare è molta, tuttavia numerosi sono i progetti di ricerca che hanno avuto luogo presso varie università in tutto il mondo.
Anzi, il Grand View Research, società che si occupa di ricerche di mercato con sede a San Francisco, ha previsto che il mercato del bioprinting possa raggiungere un valore di 4.1 miliardi di dollari entro il 2026.
Per fare un esempio, la start-up Nuclera ha raccolto 15.5 milioni di dollari per sviluppare una stampante in ambito bioprinting che si occupa di creare proteine.
Il bioprinting risale al 1988. Il Dr. Robert J. Klebe dell’Università del Texas ha presentato un metodo di micro-posizionamento di cellule per costruire tessuti sintetici utilizzando una stampante a getto d’inchiostro. Nel 2002, il Professor Anthony Atala della Wake Forest University ha creato il primo organo servendosi della biostampa: un rene in scala ridotta.
Organovo – laboratorio commerciale – è nato nel 2010 a SanDiego, in California. Il laboratorio ha lavorato per creare una delle prime biostampanti sul mercato, la NovoGen MMX. Organovo si è posizionata tra i leader nel settore e continua a lavorare allo sviluppo di innovazioni a livello di tessuto osseo.
Esistono diverse tecniche per implementare il bioprinting. L’inkjet 3d bioprinting si basa sulla stampa a getto d’inchiostro. Si depositano gocce di bioinchiostro strato dopo strato su un supporto di idrogel. Successivamente si applica tecnologia termica o piezoelettrica. Nel primo caso il sistema è riscaldato in modo che le bolle d’aria creatasi collassino e forniscano la pressione necessaria per espellere le gocce d’inchiostro. Nel secondo, per lo stesso processo si usa una differenza di potenziale elettrico.
Il bioprinting a estrusione serve per creare modelli e costruzioni cellulari: la soluzione viene estrusa coordinando il movimento di un pistone a pressione o di un microago su un substrato stazionario. Si stampa strato su strato fino a completarlo.
Il 3d bioprinting laser assistito impiega il laser come fonte di energia per depositare i biomateriali in un recettore. Una fonte laser, un nastro ricoperto di materiali biologici e un recettore. I fasci laser irradiano il nastro, facendo evaporare i materiali liquidi biologici e facendo sì che raggiungano il recettore sotto forma di goccioline. Queste goccioline contengono un biopolimero che mantiene l’adesione delle cellule e aiuta la cellula a iniziare a crescere.
La stereolitografia consiste nel solidificare un fotopolimero tramite la luce ultravioletta. Si ottiene la massima precisione di produzione ed è adatta per la biostampa in quanto si effettua con idrogel fotosensibili.
La bioprinting a onde sonore permette di manipolare cellule o particelle utilizzando onde sonore superficiali.
La tecnica swift, per esempio, stampa in 3d canali vascolari in matrici viventi composti da blocchi derivanti da cellule staminali. Quindi, la tecnologia si concentra sulla creazione dei vasi sanguigni necessari a supportare un costrutto di tessuto vivente. Tessuti organo-specifici stampati tramite questa tecnica sono rimasti in vita rispetto ai tessuti fatti crescere senza.
Un team di ricercatori israeliani ha stampato un cuore in 3D. L’organo era composto di cellule, vasi sanguigni, ventricoli e camere. I ricercatori hanno sviluppato un idrogel dal tessuto grasso del paziente stesso, riducendo il rischio di rigetto una volta impiantato. Il cuore ha le dimensioni di quello di un coniglio, ma è un inizio incoraggiante.
Nel 2011, il professor Anthony Atala, direttore del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, ha presentato per la prima volta un rene stampato in 3D. In sette ore, il suo team è stato in grado di progettare questo organo a partire da cellule staminali. Il rene non è riuscito a vivere molto a lungo, ma il progetto era pieno di spunti innovativi.
Nel 2019, i ricercatori della Newcastle University hanno sviluppato per la prima volta una cornea artificiale stampata in 3D. Dopo aver studiato e raccolto dati dall’occhio di un volontario, i ricercatori sono stati in grado di progettare un modello 3D della cornea. Uno degli aspetti più difficili è stato utilizzare i materiali giusti per mantenere la sua forma concava e trovare un inchiostro abbastanza sottile da essere estruso. Utilizzando una singola cornea umana sana, sono stati in grado di stampare in 3D 50 cornee artificiali.
Nel maggio 2017, i ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato una soluzione per le donne con problemi di fertilità. Hanno impiantato con successo un’ovaia bio-stampata in un topo sterile. Due anni dopo, sono stati in grado di mappare la posizione delle proteine strutturali in un’ovaia di maiale, il che ha permesso loro di creare una biorepository per stampare ovaie funzionali per le donne.
I ricercatori dell’Università di São Paulo in Brasile sono riusciti a stampare in 3D versioni in miniatura di un fegato umano a partire da cellule del sangue. Il processo è durato solo 90 giorni, dalla raccolta del sangue dal paziente alla produzione del tessuto. Questi piccoli organi del fegato svolgono tutte le funzioni dell’organo in questione: produzione di proteine vitali, stoccaggio di vitamine e secrezione di bile.
La società francese Poietis è nota per i suoi progetti di 3D bioprinting in ambito di ricerca sulla pelle. Ha recentemente iniziato una sperimentazione clinica di impianto di pelle stampata in 3D, in collaborazione con la rete pubblica di ospedali di Marsiglia. La pelle stampata in 3D potrebbe essere utilizzata da chiunque abbia subito gravi ustioni, cancro o altri incidenti con conseguente perdita di pelle. L’obiettivo del produttore francese è quello di essere in grado di sviluppare una pelle che possa essere impiantata direttamente e progettata a partire dalle cellule del paziente stesso.
Un team di scienziati della Foundation of Research and Science Development si è posto l’obiettivo di sviluppare un pancreas funzionale stampato in 3D. Questo dovrebbe aiutare i pazienti diabetici ad evitare la necessità di iniettare insulina e ridurre al minimo il rischio di complicazioni secondarie correlate, che spesso portano alla morte. Il bioinchiostro sarebbe ottenuto da cellule staminali coltivate per produrre insulina e glucagone.
L’introduzione della tecnologia di stampa 3D sta guidando una rivoluzione in tutti i settori di applicazione con risvolti sorprendenti in ambito biomedico, rappresentando un salto che modifica radicalmente i parametri di cura delle patologie esistenti: dalla Medicina conservativa e cronicizzante alla medicina rigenerativa e risolutiva.
Sono ancora molti i limiti da superare per raggiungere gli obiettivi prefissati: dai problemi legati alla vascolarizzazione a quelli riguardanti la riproducibilità di strutture con geometrie e organizzazioni complesse, ma l’idea di poter realizzare organi interi tramite stampa 3D non rappresenta più una prospettiva utopistica.
