Cos’è la Biostampa 3D?

La biostampa 3D – spesso definita semplicemente biostampa, è il processo che consente di generare strati di cellule preservando il funzionamento delle stesse per formare tessuti organici. Per gli organi più semplici, come le vesciche o le strutture cartilaginee come le orecchie o la trachea, la biostampa 3D utilizza delle “scaffold” o “impalcature” disegnate in CAD e stampate in 3D che vanno a formare l’organo usando materiali biocompatibili. Su queste gloi scienziati depositano manualmente il “bioinchiostro” (cellule dell’organo o cellule staminali sotto forma di idrogel) che vanno a riempire e ricoprire la struttura artificiale (che poi si scioglie autonomamente). ONVO printerPer gli organi più complessi e formati da moltissime cellule diverse, come il fegato, il cuore o i reni, questo metodo non è applicabile e occorre stampare i tessuti e la scaffold direttamente e contemporaneamente in 3D. In questo caso si adotta un processo simile alla stampa inkjet 2D. Le biostampanti utilizzano idrogel formati da diversi tipi di cellule distribuite da testine multiple. Questi vengono depositati in strisce 2D multicellulari andando a formare le diverse combinazioni di cellule e vasi capillari. Le strisce “biologiche” che formano gli strati dell’organo vengono poi assemblate una sull’altra. Ci sono molte aziende, università e centri specializzati che stanno sperimentando e già offrono vari sistemi per la biostampa di tessuti cellulari. La più nota realtà commerciale, la prima a stampare in 3D un vaso capillare, è Organovo. C’è anche EnvisionTEC, azienda tedesca di stampanti 3D DLP, che produce un bioplotter commerciale (non c’è molta differenza con le biostampanti 3D perché, come detto, la stampa 3D di organi avviene assemblando gli strati 2D) e una versione “low-cost” (intorno ai 150.000 dollari) per le università. Il loro obiettivo a breve termine è stampare in 3D versioni artificiali sempre più accurate di tessuti organici come quelli della pelle, del fegato o del cuore per testare nuovi farmaci ma nessuno nasconde che il vero sogno è di riuscire a riprodurre interi organi. sidebar-pic_bioprintingLa difficoltà principale, quando si tratta di riprodurre organi completi è che questi sono formati da una moltitudine di cellule differenti e quindi – proprio come per la stampa 3D di oggetti – sarà necessario sviluppare tecnologie in grado di stampare contemporaneamente con materiali diversi. Inoltre, visto che i tessuti organici vengono stampati sotto forma di “strati bidimensionali” per poi essere assemblati, gli strati interni non riescono a ottenere l’ossigeno necessario per sopravvivere. La vascolarizzazione consentirebbe di far circolare il sangue per portare l’ossigeno in ogni parte dell’organo artificiale. liver-tissue-organovo-1Un grande passo avanti in questo senso è stato compiuto, all’inizio del 2014, attraverso gli studi della Dr.ssa Jennifer A. Lewis della Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), che ha ideato un metodo per creare intrecci complessi di tessuti tridimensionali, consentendo, inoltre, la vascolarizzazione dei tessuti. I BIONCHIOSTRI Per stampare in 3D gli organi gli scienziati usano materiali che vengono definiti bionchiostri e si presentano sotto forma di “idrogel”, cioè delle sostanze gelatinose composte da cellule vive. Le cellule vengono mescolate con agenti gelatinosi come, ad esempio, l’alginato (Alg-Gel), usato anche nella cucina molecolare per formare una soluzione che viene poi modificata, in modo da rimanere liquida durante la stampa. La mistura di cellule e collagene (il principale costituente del tessuto nativo) si solidifica formando l’idrogel in una fase successiva, cioè quando – proprio come i fotopolimeri delle tecnologie SLA e DLP, vengono irradiati da luce UV, secondo un processo introdotto dal Fraunhofer Institute di Stoccarda nel 2012. Visto che questo tipo di radiazione può essere dannosa, il Dr Rocky Tuan dell’Università di Pittsburgh sta lavorando anche a un metodo che consentirebbe agli idrogel di solidificarsi attraverso l’interazione con la luce visibile. fraunhofer bioink Gli idrogel possono essere composti da cellule dell’organo che si intende riprodurre oppure da cellule staminali che vengono “istruite” per trasformarsi nelle cellule desiderate. Questi – che sono di fatto dei polimeri – contengono un’altissima percentuale di acqua ma risultano al contempo stabili nell’acqua liquida fino a temperature pari a quella fisiologica di 37°. tr10.3d.printing.1x948Come detto, gli idrogel possono essere applicati manualmente alle scaffold, cioè le strutture tridimensionali composte da materiali biocompatibili, oppure stampati direttamente attraverso biostampanti 3D come quelle prodotte da Organovo o come i bioplotter sviluppati da EnvisionTEC. In questo caso le macchine devono applicare contemporaneamente sia gli idrogel formati da vari tipi di cellule, sia quelli contenenti le matrici extracellulari (i materiali biologici che tessono le cellule andando a formare i tessuti). La difficoltà principale – oltre a quella di replicare la multicellularità dei tessuti – è la capitalizzazione degli stessi. A questo stanno lavorando sia il progetto Artivasc 3D sia il team guidato da Jennifer Lewis alla Harvard School of Engineering and Applies Sciences (SEAS). All’inizio del 2014 il team del Dr. Lewis ha annunciato un nuovo metodo di bioprinting che consentirebbe la capillarizzazione dei tessuti. Esso prevede l’utilizzo di tre bioink simultaneamente: uno contenente le cellule e la matrice extracellulare, l’altro connettente solo la matrice e un terzo contenente un nuovo tipo di bioink che, contrariamente agli altri due, si scioglie raffreddandosi invece che riscaldandosi. Questo ha permesso agli scienziati di di stampare un network intricato di filamenti varicosi e poi di scioglierlo e “scolarlo”, lasciandosi dietro un network di tubicini, o vasi capillari.

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