La tecnologia e la medicina sono in continuo progresso. Da un lato, la stampa 3D sta rivoluzionando il nostro processo di creazione. Dall'altro, il sito criopreservazione a temperature criogeniche potrebbe consentire incredibili sviluppi in campo medico. Ma la vera magia avviene quando si mettono insieme tecnologia e medicina per creare qualcosa di completamente nuovo. Permettetemi di presentarvi: Stampa 3D criogenica.
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La stampa 3D criogenica mira a creare idrogeli congelati utilizzando criopreservazione per stabilizzare l'oggetto stampato in uno stato ideale. Poi, quando servono, possono essere riscaldati. Questa procedura è stata pubblicata per la prima volta nel 2015 dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università della California. Da allora è stata utilizzata come base per altre pubblicazioni e ulteriori studi di ricerca.
L'obiettivo finale è la creazione di organi e tessuti umani stampati in 3D completamente funzionali da trapiantare. Tuttavia, per capire come funziona la stampa 3D criogenica, dobbiamo prima familiarizzare con le singole parti che la compongono.
Stampa 3D
Sicuramente sapete cosa significa "stampa". Nel 1455 Johann Gutenberg realizzò la prima stampante conosciuta. Egli diede il via al rinascimento dell'istruzione producendo libri in serie per la prima volta. Prima di questa invenzione, ogni libro doveva essere scritto a mano. Se si voleva una seconda copia, bisognava riscrivere lo stesso libro: inconcepibile per gli standard odierni.
La stampa 3D mira a estendere questa rivoluzione oltre il piano bidimensionale, rendendo possibile la stampa di qualsiasi oggetto 3D. Questo ha però i suoi limiti, che impediscono alle stampanti 3D di essere utilizzate per la produzione di massa. Attualmente vengono utilizzate per stampare oggetti specifici e difficili da produrre, come i prototipi di design. Possono anche stampare prodotti finali come gioielli, utensili, giocattoli, articoli di fantasia o persino protesi.
La stampa 3D è un processo additivo. Ciò significa che, a differenza dell'intaglio del legno o della maggior parte della lavorazione del metallo, l'oggetto desiderato viene costruito da zero e non ricavato da un oggetto esistente. I programmi informatici vengono utilizzati per indicare alla stampante cosa stampare. Con questi programmi, i progettisti possono creare modelli 3D digitali, o modelli CAD, che vengono poi inviati alla stampante 3D per la produzione. Autodesk Fusion 360, Autodesk AutoCAD, Ultimaker Cura, TinkerCAD e SketchUp sono tra i programmi più utilizzati al momento. Esistono diversi tipi di stampanti 3D, che utilizzano metodi (e materiali) diversi per creare gli oggetti 3D. Se volete una panoramica compatta di ciò che c'è sul mercato, date un'occhiata a questo video.
Bioprinting
La bioprinting è una sottocategoria della stampa 3D che utilizza materiali biologici come cellule o biomateriali per fabbricare parti biomediche. A differenza dei materiali normalmente utilizzati per la stampa 3D, plastica o resina, i componenti biologici richiedono ulteriori passaggi per mantenere la loro forma (e funzione):
- Pre-Bioprinting - A differenza della normale stampa 3D, l'obiettivo del bioprinting non è costruire "quello che vogliamo". Gli scienziati cercano invece di replicare la biologia umana nel modo più fedele possibile. Per realizzare questa visione, devono prima ottenere un test diagnostico, chiamato anche biopsia . Ciò avviene tramite tomografia computerizzata (TC) e risonanza magnetica (RM). Poiché le stampanti 3D sono limitate alla stampa strato per strato, è necessario effettuare anche una ricostruzione tomografica delle immagini risultanti. Quando le immagini sono pronte per essere inviate alla stampante, le cellule specifiche vengono isolate, moltiplicate e successivamente mescolate con uno speciale materiale liquefatto che fornisce nutrienti vitali (ad esempio ossigeno) a queste cellule.
- Bioprinting - Nella fase successiva, il cocktail biologico miscelato viene immagazzinato in una cartuccia di stampa e depositato insieme alle scansioni mediche del paziente. Questo pre-tessuto bioprintato viene messo in un incubatore e matura lentamente in un tessuto normale.
La bioprinting prevede solitamente l'uso di impalcature biocompatibili, progettate per mantenere in posizione i singoli strati. Questi sono di importanza cruciale per l'ingegneria tissutale, in quanto forniscono un ambiente meccanico e chimico adatto che consente l'ulteriore crescita in un tessuto completamente funzionale.
Mentre la produzione di tessuti e organi più piccoli si è dimostrata un successo, gli organi più grandi, come fegati e polmoni, realizzati mediante bioprinting 3D mancano di alcuni elementi cruciali. Ciò è dovuto principalmente ai limiti delle attuali stampanti 3D. Alcune funzioni vitali intricate, come i vasi sanguigni funzionanti, non possiedono la stabilità o la vitalità necessarie per essere utilizzate nella medicina applicata in questo momento.
- Post-bioprinting - Per garantire una struttura stabile e funzionale per il futuro, è necessario un processo di post-bioprinting ben curato. Gli scienziati applicano agli oggetti bioprintati stimoli meccanici e chimici. Questi inviano segnali alle cellule, con l'obiettivo di controllare il processo di crescita dei tessuti. Il tipo e la quantità di segnali inviati dipendono dal singolo tessuto. I cosiddetti bioreattori possono trasportare sostanze nutritive aggiuntive, creare ambienti specializzati, regolare la pressione dell'aria e molto altro ancora.
Stampa 3D criogenica
Prendiamo tutto ciò che abbiamo imparato finora e diamo un'occhiata a ciò che funziona e a ciò che non funziona.
Cosa funziona:
- Stampare oggetti 3D con normali materiali da costruzione
- Stampare oggetti 3D da materiali biologici
- Stampa del tessuto umano di base
- Stampare piccoli organi completamente funzionali
Cosa non lo fa:
- Stampare organi di grandi dimensioni completamente funzionali
- Garanzia di stabilità durante la stampa di strutture complesse
- Garantire la funzionalità durante la stampa di strutture complesse
Guardando questa lista di controllo, abbiamo già fatto molta strada. Tuttavia, gli ultimi passi si rivelano un grande ostacolo da superare. Le attuali tecnologie di bioprinting 3D non hanno la funzionalità necessaria per garantire la stabilità di formazioni biografiche complesse.
Ma aspettate, non c'è un campo scientifico che si occupa della stabilità e della conservazione (o meglio criopreservazione) delle strutture? Boris Rubinsky, ricercatore e professore alla UC Berkeley, e Michal Adamkiewicz hanno pensato esattamente la stessa cosa e hanno iniziato a sperimentare. Il loro risultato: La cosiddetta stampa 3D criogenica.
Nella stampa 3D criogenica il processo di bioprinting viene condotto con l'oggetto stampato in 3D costantemente immerso in un refrigerante liquido (azoto liquido). Questo refrigerante viene regolato in modo da essere sempre a livello dello strato più alto della stampa, consentendo un processo di congelamento molto preciso. Le temperature durante la procedura variano generalmente da -20°C a -25°C. Il gas CO2 viene iniettato rapidamente nella camera, consentendo di raggiungere elevate velocità di raffreddamento all'inizio del processo. La refrigerazione a compressione di vapore (VCR) assicura poi una rimozione sostenuta del calore per il resto della procedura.
I risultati finali sono strutture biografiche completamente stabilizzate (attraverso il congelamento) che presentano una probabilità significativamente maggiore di mantenere una forma lavorabile. Questo approccio si è dimostrato particolarmente efficace quando si tratta di creare impalcature, dimostrando il potenziale di criopreservazione.
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Conclusione
La scienza ha ancora bisogno di tempo per risolvere tutti i problemi associati alla ricreazione delle funzioni biologiche umane. Tuttavia, stiamo facendo progressi costanti in molti campi di ricerca. Gli scienziati sono già riusciti a trapiantare una vescica completamente funzionale(molti anni fa) che funziona ancora oggi. Un giorno potremmo essere in grado di stamparci nuovi polmoni, un nuovo pancreas o persino un nuovo cuore, se necessario. La ricerca sulla criogenia e sul sito criopreservazione potrebbe potenzialmente aiutarci a sviluppare la tecnologia e a raggiungere questo obiettivo. Viceversa, i progressi nel campo del bioprinting potrebbero consentire di trattare gli organi dei pazienti in biostasi prima che vengano rianimati in futuro.
I due campi della scienza sperano di completarsi a vicenda con questi progressi medici. Se volete saperne di più sulla Biostasi, non esitate a fissare una telefonata con noi.
Fonte: M. Adamkiewicz, B. Rubinsky, Cryogenic 3D printing for tissue engineering, Cryobiology (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.cryobiol.2015.10.152
