Stampa 3D di Organi Umani – Quanto è Realistica?

Il mondo della stampa 3D si sta espandendo a un ritmo notevolmente rapido. Le stime suggeriscono che la dimensione del mercato globale della stampa 3D—prodotti e servizi— crescerà tre volte tra il 2020 e il 2026. Valutato a US$12.6 billion nel 2020, il mercato potrebbe superare i US$37 billion entro il 2026.

L’aumento nel mercato delle applicazioni è ampiamente supportato dallo spazio in cui avviene l’innovazione—sia a livello di istituzioni che di imprese/aziende. Grandi aziende tecnologiche statunitensi, ad esempio, sono state molto attive nella stampa 3D—come dimostra il numero di brevetti pubblicati dal 2010. General Electric, per esempio, ha pubblicato ben 342 brevetti tra il 2010 e il 2019.

Tuttavia, il campo della stampa 3D ha sempre dovuto affrontare la cruciale domanda dell’applicabilità nella vita reale. Sebbene sia sempre stato uno spazio scientificamente entusiasmante e allettante da esplorare, molti hanno chiesto: “Quanto è realistica?”

Recentemente, un esperimento di successo ha mostrato quanto potrebbe essere reale quando un team di ricerca della University of Virginia School of Engineering and Applied Science ha sviluppato quello che potrebbe essere il modello per i primi blocchi costitutivi di organi compatibili con l’uomo stampato su richiesta. Nella sezione successiva, esamineremo l’esperimento e ciò che ha raggiunto in maggiore dettaglio.

Biomateriali con Proprietà Meccaniche Controllate che Corrispondono a Quelle di Vari Tessuti Umani 

L’esperimento è stato guidato da Liheng Cai e Jinchang Zhu. Liheng Cai è professore assistente di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria chimica, e Jinchang Zhu è il suo dottorando.

Il metodo di biostampa che hanno seguito si chiama Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Questa tecnica deposita particelle di biomateriale in una matrice di supporto a base d’acqua per costruire strutture 3D che offrono un ambiente favorevole alla crescita delle cellule.

Pubblicando i loro risultati sulla rivista Nature Communications, gli scienziati hanno intitolato il rapporto ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets’. Il termine Voxel deriva dal fatto che il processo di stampa segue come i ‘voxel’—la versione 3D dei pixel—costruiscono oggetti 3D.

Mentre spiegava la svolta che la loro ricerca ha offerto alla comunità scientifica, Jinchang Zhu ha dichiarato quanto segue:

“Le nostre nuove particelle di idrogel rappresentano il primo voxel funzionale che abbiamo mai creato. Con un controllo preciso delle proprietà meccaniche, questo voxel può servire come uno dei blocchi costitutivi di base per le nostre future strutture di stampa.”

Nel suo tentativo di essere più specifico per l’utente comune, Zhu ha evidenziato le qualità distintive della loro tecnica rispetto ad altri metodi di biostampa. Ha sottolineato l’elemento di ‘Controllo’ nella loro tecnologia, che ha reso possibile stampare organoidi.

Questi organoidi non erano altro che modelli 3D basati su cellule che potevano funzionare come tessuti umani. Potrebbero essere sfruttati per studiare la progressione delle malattie nella nostra continua ricerca di cure.

Un Grande Salto Rispetto alle Tecnologie di Biostampa Esistenti

Zhu ha definito la loro innovazione un ‘grande salto’ rispetto alle tecnologie di biostampa esistenti perché era ‘robusta e amica delle cellule’. Le particelle di idrogel polimerico usate nell’esperimento potevano imitare i tessuti umani modificando la disposizione e i legami chimici dei monomeri a singola molecola, che si collegano in catene per formare reti.

In confronto ad altre soluzioni simili, la soluzione offerta da Cai e Zhu si è dimostrata meno tossica e più biocompatibile.

Il team ha inoltre ottenuto miglioramenti significativi nell’uso della biostamperia. L’ugello multicanale che hanno progettato poteva mescolare i componenti dell’idrogel su richiesta. Ha aiutato a risolvere la sfida derivante dal cross-linking superveloce, che trasformava le gocce liquide in un gel elastico gonfio d’acqua entro 60 secondi.

La tecnica DASP elimina questo collo di bottiglia depositando grandi gocce da un ugello stretto e ad alta velocità nella matrice, sospendendole immediatamente. In un certo senso, risolve una questione fondamentale nello spazio della scienza della materia morbida e della biostampa 3D: la manipolazione precisa dei voxel viscoelastici. Riassumendo il risultato, Cai ha detto:

“Abbiamo ora posto le basi per la biostampa voxelata. Quando sarà pienamente realizzata, le applicazioni di DASP includeranno il trapianto di organi artificiali, la modellazione di malattie e tessuti, e lo screening di candidati per nuovi farmaci. E probabilmente non si fermerà qui.”

Come abbiamo già visto, le innovazioni nella biostampa 3D sono in corso da molto tempo. Pertanto, è evidente che molte aziende rinomate hanno adottato questa tecnologia. Nei segmenti seguenti, esamineremo due aziende che hanno facilitato questo settore nella scienza medica e nella tecnologia sanitaria.

#1. Northwell Health

L’azienda afferma di essere ‘100% devota a diventare il primo sistema sanitario a stampare in 3D la tua cura’. Uno degli interventi più cruciali di Northwell Health in questo ambito è stato nelle protesi.

L’azienda ha stampato in 3D un arto protesico anfibio. La soluzione è una pinna che permette all’amputato di entrare e uscire dall’acqua senza cambiare protesi.

I vantaggi della pinna includono l’uso di materiali in fibra di carbonio all’avanguardia e lo sfruttamento di una forma ergonomica per garantire movimento durevole ed efficiente. Northwell ha usato nylon rinforzato con fibra di carbonio per stampare la pinna, che era tutta incentrata su resistenza e flessibilità. Inoltre, la sua durabilità la rende adatta all’uso sia sulla terra che in acqua.

La pinna presentava dinamiche di materiale uniche. Presentava fori a forma conica che potevano controllare la quantità d’acqua che vi passava attraverso. Il design e la disposizione dei fori consentivano una resistenza e propulsione naturali nell’acqua. Il numero di fori era regolabile in base alle esigenze specifiche dell’amputato.

Northwell Health è da tempo un pioniere nello sviluppo di modelli stampati in 3D, dettagliati, di parti del corpo per aiutare i chirurghi a pianificare meglio le operazioni. L’azienda ha potuto realizzare il potenziale della stampa 3D prima che diventasse una tendenza così fiorente.

In una citazione risalente al 2018, Todd Goldstein, direttore del 3D Design and Innovation Center di Northwell Health, ha dichiarato quanto segue: seguente a dire:

“L’uso della stampa 3D in medicina ci permette di estrarre l’anatomia dei pazienti dallo schermo del computer e metterla nelle mani del medico. Questo tipo di tecnologia è un punto di svolta per tutte le parti coinvolte, poiché consente ai medici di visualizzare meglio la patologia, permette ai pazienti di vedere realmente quale trattamento è necessario e consente trattamenti più precisi e specifici per il paziente in quasi tutte le specialità.”

Nel 2023, Northwell Health ha registrato un fatturato di US$16.9 billion e un margine EBITDA del 6.3%.

#2. Psyonic

Un’altra azienda che ha svolto un lavoro notevole in questo campo è Psyonic. Ability Hand, il prodotto di punta di Psyonic, è la mano bionica più veloce al mondo e la prima a rilevare il tatto. Promessa a ripristinare la vita e la mobilità dove erano, PSYONIC sfrutta la stampa 3D per prototipare in modo efficiente, aumentare l’accessibilità e la convenienza, e migliorare la durabilità e la resistenza agli impatti.

Psyonic ha aggiunto valore significativo alla sua soluzione incorporando sensori nella punta delle dita della mano bionica che rilevano la pressione quando l’utilizzatore afferra un oggetto e inviano una vibrazione al braccio per comunicare quella sensazione.

Di conseguenza, l’utente della mano può percepire l’azione e lavorare con gli oggetti più delicati con facilità, comfort e fluidità. La sua robustezza la rende capace di gestire impatti di forza contundente senza rompersi. È anche resistente all’acqua e viene fornita con una varietà di pattern di presa per l’uso durante tutta la giornata.

Ability Hand offre in totale 32 pattern di presa, di cui 19 sono predefiniti e disponibili per l’uso. È leggera, pesa 490 grammi. È multi-articolata, con tutte e cinque le dita pronte a flettersi ed estendersi, e il pollice è capace di ruotare elettricamente e manualmente.

Può essere ricaricata tramite USB-C in un’ora. È cross-compatibile e funziona con la maggior parte dei sistemi di riconoscimento di pattern EMG di terze parti, sistemi di controllo diretto EMG, trasduttori lineari e resistori sensibili alla forza.

Secondo le ultime informazioni disponibili sul finanziamento, la campagna di equity crowdfunding di Psyonic ha raccolto più di US$1 million fino ad oggi.

È evidente da questi esempi di parti del corpo umano stampate in 3D che, realisticamente, la stampa 3D di organi umani non è un sogno irrealizzabile. Mentre abbiamo già discusso di una delle scoperte più importanti in questo campo di recente, esploreremo ulteriori ricerche pertinenti per comprendere il vasto potenziale del futuro.

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Il Futuro della Stampa 3D: Il più Vicino alla Realtà Possibile 

L’uso inefficiente dell’idrogel nella produzione di organi stampati in 3D ha una certa storia. Unrapporto di ricerca del 2022 ha citato il caso di un team di studio guidato dal Professor Thomas Scheibel dell’Università di Bayreuth che ha prodotto con successo un “bio-inchiostro” o idrogel mescolando seta di ragno con cellule fibroblasti di topo usando la stampa 3D.

I gel potevano trasformarsi rapidamente da uno stato fluido a uno solido quando fluivano attraverso la testina della stampante su una superficie di estrusione. È stato scoperto che questa conoscenza poteva essere usata per replicare il tessuto muscolare cardiaco usando scaffold di seta di ragno e cardiomiociti.

Un rapporto del 2023 che ha investigato in modo completo la realtà dell’uso della stampa 3D per replicare organi umani l’ha definita una ‘realtà imminente’. Ha citato numerosi esempi che indicano un futuro promettente in tutte le probabili implicazioni.

Ad esempio, nel 2022, a San Antonio, Texas, il Dr. Arturo Bonilla ha potuto impiantare un orecchio esterno su una donna di 20 anni—nata senza di esso—costruendo l’orecchio destro nella forma e dimensione esatte di quello sinistro. Il caso è stato estremamente importante poiché è stato il primo caso in cui l’orecchio impiantato era il prodotto di una biostamperia 3D che utilizzava le cellule cartilaginee della donna.

Ricercatori con sede in Polonia sono stati anche in grado di stampare un prototipo funzionale di pancreas con flusso sanguigno stabile. L’esperimento è stato condotto su maiali e osservato per due settimane. Nel frattempo, erano in corso sforzi per adattare le tecniche ai polmoni umani. Michal Wszola, il creatore del Pancreas Bionico, e United Therapeutics Corporation hanno stampato in 3D uno scaffold polmonare umano con 4.000 chilometri di capillari e 200 milioni di alveoli (piccole sacche d’aria) che potevano scambiare ossigeno in modelli animali.

Gli scienziati del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine hanno sviluppato un sistema mobile di biostampa della pelle. Credono che presto sarà possibile portare la stampante direttamente al letto di un paziente affetto da una ferita non guarita, come una ustione, scansionare e misurare l’area della ferita e stampare in 3D la pelle, strato per strato, direttamente sulla superficie della ferita.

Il professor Tal Dvir è il direttore di ingegneria tissutale e medicina rigenerativa presso la Tel Aviv University in Israele. Il suo livello ha guidato il progetto di un cuore “dimensionato come un coniglio” stampato in 3D, che ha cellule, camere, i principali vasi sanguigni e un battito cardiaco. Parlando dell’invenzione e del suo potenziale per il futuro, Dvir ha dichiarato quanto segue:

“Stiamo ora lavorando sulle cellule del pacemaker, le cellule atriali, le cellule ventricolari. Sembra buono. Credo che questo sia il futuro.”

Gli esperti sanitari credono che la capacità della civiltà umana di stampare organi in 3D aiuterebbe la lista d’attesa di 106.000 persone per i trapianti di organi. Ogni giorno, 17 pazienti muoiono in attesa. Essere in grado di stampare organi umani in 3D salvarebbe molte vite.

Secondo Mark Skylar-Scott, professore assistente del Dipartimento di Bioingegneria della Stanford University:

“Il campo è progredito molto rapidamente negli ultimi due decenni, dalla stampa di vesciche a ora tessuti altamente cellulari con vasi che possono essere collegati a una pompa—e modelli 3D complessi che somigliano a componenti cardiaci con cellule cardiache integrate.”

È ormai quasi certo che la stampa 3D di organi umani rivoluzionerà le nostre procedure di trattamento e i sistemi di assistenza. Tuttavia, dovrà superare alcune sfide.

Ad esempio, dovrebbe essere più resistente allo stress. La produzione e la manifattura dovrebbero essere più inclusive in termini di compatibilità dei materiali grezzi. Dovrebbe diventare più efficiente dal punto di vista energetico in modo da poter essere scalata più rapidamente.

Dovrebbe eliminare i composti organici volatili emessi dalle stampanti 3D, spesso cancerogeni e tossici, che possono causare gravi problemi di salute come danni agli organi, irritazione della gola e nausea. Infine, dovrebbe essere conveniente ed economico per beneficiare una larga parte della nostra popolazione sottotrattata a livello globale.

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