Come funziona la biostampa 3D

I futuri Victor Frankenstein non dovranno diventare ladri di tombe per ottenere parti del corpo. Non avranno nemmeno bisogno di corpi. Invece, scommettiamo che trarranno vantaggio da una tecnologia in rapido sviluppo nota come bioprinting . Questa propaggine della stampa 3D mira a consentire a scienziati e ricercatori medici di costruire un organo, strato dopo strato, utilizzando scanner e stampanti tradizionalmente riservati alla progettazione automobilistica, alla costruzione di modelli e alla prototipazione di prodotti.

Per realizzare un giocattolo utilizzando questa tecnica, un produttore carica una sostanza, solitamente plastica, in una macchina delle dimensioni di un mini-frigorifero. Carica anche un design 3D del giocattolo che vuole realizzare. Quando dice alla macchina di stampare, questa si riscalda e, usando il disegno come una serie di istruzioni, estrude uno strato di plastica fusa attraverso un ugello su una piattaforma. Quando la plastica si raffredda, inizia a solidificarsi, anche se di per sé non è altro che una singola fetta dell'oggetto desiderato. La piattaforma si sposta quindi verso il basso in modo da poter depositare un secondo strato sul primo. La stampante ripete questo processo fino a formare un oggetto solido a forma di giocattolo.

Negli ambienti industriali, questo è noto come produzione additiva perché il prodotto finito è realizzato aggiungendo materiale per costruire una forma tridimensionale. Si differenzia dalla lavorazione tradizionale, che spesso prevede la sottrazione di un materiale, mediante lavorazione a macchina, per ottenere una determinata forma. I produttori di additivi non si limitano a utilizzare la plastica come materiale di partenza. Alcuni usano polveri, che sono tenute insieme dalla colla o riscaldate per fondere insieme la polvere. Altri preferiscono materiali alimentari, come formaggio o cioccolato, per creare sculture commestibili. E altri ancora - versioni moderne di Victor Frankenstein - stanno sperimentando biomateriali per stampare tessuti viventi e, se stratificati correttamente in ambienti biotici, organi perfettamente funzionanti.

Esatto, la stessa tecnologia che può produrre action figure di Star Wars può anche produrre fegati, reni, orecchie, vasi sanguigni, pelle e ossa umani. Ma stampare una versione 3D di R2-D2 non è esattamente la stessa cosa che stampare un cuore che si espande e si contrae come un vero muscolo cardiaco. Taglia una action figure e troverai plastica in tutto e per tutto. Taglia un cuore umano e troverai una complessa matrice di cellule e tessuti, che devono essere tutti disposti correttamente affinché l'organo funzioni. Per questo motivo, il bioprinting si sta sviluppando più lentamente rispetto ad altre tecniche di produzione additiva, ma sta avanzando. I ricercatori hanno già costruito stampanti 3-D modificate e ora stanno perfezionando i processi che consentiranno loro di stampare tessuti e organi per test farmaceutici e, infine, per trapianti.

1. La storia 3D della biostampa
2. Proprio come una stampante a getto d'inchiostro, una specie di
3. Componenti della biostampante
4. Organi su ordinazione
5. Uno, due, tre, stampa!
6. Usi per organi 3-D

La promessa di stampare organi umani iniziò nel 1983 quando Charles Hull inventò la stereolitografia . Questo speciale tipo di stampa si basava su un laser per solidificare un materiale polimerico estruso da un ugello. Le istruzioni per la progettazione provenivano da un ingegnere, che avrebbe definito la forma 3D di un oggetto in un software CAD (Computer Aided Design) e quindi inviato il file alla stampante. Hull ei suoi colleghi hanno sviluppato il formato di file, noto come .stl, che conteneva informazioni sulla geometria della superficie dell'oggetto, rappresentata come un insieme di facce triangolari.

All'inizio, i materiali utilizzati nella stereolitografia non erano abbastanza robusti per creare oggetti durevoli. Di conseguenza, all'inizio gli ingegneri utilizzavano il processo rigorosamente come un modo per modellare un prodotto finale, ad esempio una parte di un'auto, che sarebbe poi stato fabbricato utilizzando tecniche tradizionali. Un intero settore, noto come prototipazione rapida, è cresciuto attorno alla tecnologia e nel 1986 Hull ha fondato 3D Systems per produrre stampanti 3-D e i materiali per utilizzarle.

All'inizio degli anni '90, 3D Systems aveva iniziato a introdurre la prossima generazione di materiali: nanocompositi , plastiche miste e metalli in polvere. Questi materiali erano più durevoli, il che significava che potevano produrre oggetti forti e robusti che potevano funzionare come prodotti finiti, non semplici trampolini di lancio per prodotti finiti.

Non ci volle molto perché i ricercatori medici se ne accorgessero. Cos'è un organo se non un oggetto dotato di larghezza, altezza e profondità? Una struttura del genere non potrebbe essere mappata in tre dimensioni? E una stampante 3D non potrebbe ricevere una mappa del genere e quindi eseguire il rendering dell'organo nello stesso modo in cui potrebbe rendere un ornamento del cappuccio o un gioiello? Un'impresa del genere potrebbe essere facilmente realizzata se le cartucce della stampante spruzzassero biomateriali anziché plastica.

Gli scienziati sono andati alla ricerca di tali materiali e alla fine degli anni '90 avevano escogitato tecniche e processi praticabili per rendere la costruzione di organi una realtà. Nel 1999, gli scienziati del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine hanno utilizzato una stampante 3D per costruire un'impalcatura sintetica di una vescica umana. Hanno quindi rivestito l'impalcatura con cellule prelevate dai loro pazienti e hanno coltivato con successo organi funzionanti. Questo ha posto le basi per una vera biostampa. Nel 2002, gli scienziati hanno stampato un rene funzionale in miniatura in grado di filtrare il sangue e produrre urina in un modello animale. E nel 2010, Organovo, una società di bioprinting con sede a San Diego, ha stampato il primo vaso sanguigno.

Oggi la rivoluzione continua. Al centro della scena ci sono le stesse stampanti, così come la speciale miscela di inchiostri viventi che contengono. Tratteremo entrambi in seguito.

L'idea della stampa 3D si è evoluta direttamente da una tecnologia che tutti conoscono: la stampante a getto d'inchiostro . Guarda la tua macchina HP o Epson sfornare una pagina stampata e noterai che la testina di stampa, azionata da un motore, si muove in strisce orizzontali su un foglio di carta. Mentre si muove, l'inchiostro immagazzinato in una cartuccia spruzza attraverso minuscoli ugelli e cade sulla pagina in una serie di gocce fini. Le gocce si accumulano per creare un'immagine, con impostazioni a risoluzione più elevata che depositano più inchiostro rispetto a impostazioni a risoluzione inferiore. Per ottenere una copertura completa dall'alto verso il basso, il foglio di carta, situato sotto la testina di stampa, si arrotola verticalmente.

Il limite delle stampanti a getto d'inchiostro è che stampano solo in due dimensioni, lungo gli assi x e y. Una stampante 3D supera questo problema aggiungendo un meccanismo per stampare lungo un asse aggiuntivo, solitamente etichettato come asse z nelle applicazioni matematiche. Questo meccanismo è un ascensore che muove una piattaforma su e giù. Con una tale disposizione, la testina dell'inchiostro può depositare il materiale da un lato all'altro, ma può anche depositare strati verticalmente poiché l'elevatore attira la piattaforma verso il basso e allontanandola dalla testina di stampa. Riempi la cartuccia di plastica e la stampante produrrà un widget di plastica tridimensionale. Riempilo di celle e produrrà una massa di celle.

Concettualmente, la biostampa è davvero così semplice. In realtà, è un po' più impegnativo perché un organo contiene più di un tipo di materiale. E poiché il materiale è tessuto vivente, ha bisogno di ricevere nutrienti e ossigeno. Per far fronte a questo, le aziende di bioprinting hanno modificato le loro stampanti 3-D per servire meglio la comunità medica.

Dove posso trovare una biostampante?

As you can imagine, bioprinting technology isn't at the point where you can order one on Amazon, but you can find, for instance, Organovo's NovoGen MMX bioprinter at institutions like the Harvard Medical School, Wake Forest University, and the Sanford Consortium for Regenerative Medicine. If you're not really an institutional type, you might want to check out the Instructable for a DIY bioprinter from the folks at BioCurious.

If you were to pull apart a bioprinter, as we'd love to do, you'd encounter these basic parts:

Print head mount -- On a bioprinter, the print heads are attached to a metal plate running along a horizontal track. The x-axis motor propels the metal plate (and the print heads) from side to side, allowing material to be deposited in either horizontal direction.

Elevator -- A metal track running vertically at the back of the machine, the elevator, driven by the z-axis motor, moves the print heads up and down. This makes it possible to stack successive layers of material, one on top of the next.

Platform -- A shelf at the bottom of the machine provides a platform for the organ to rest on during the production process. The platform may support a scaffold, a petri dish or a well plate, which could contain up to 24 small depressions to hold organ tissue samples for pharmaceutical testing. A third motor moves the platform front to back along the y-axis.

Reservoirs -- The reservoirs attach to the print heads and hold the biomaterial to be deposited during the printing process. These are equivalent to the cartridges in your inkjet printer.

Print heads/syringes -- A pump forces material from the reservoirs down through a small nozzle or syringe, which is positioned just above the platform. As the material is extruded, it forms a layer on the platform.

Triangulation sensor -- A small sensor tracks the tip of each print head as it moves along the x-, y- and z-axes. Software communicates with the machine so the precise location of the print heads is known throughout the process.

Microgel -- Unlike the ink you load into your printer at home, bioink is alive, so it needs food, water and oxygen to survive. This nurturing environment is provided by a microgel -- think gelatin enriched with vitamins, proteins and other life-sustaining compounds. Researchers either mix cells with the gel before printing or extrude the cells from one print head, microgel from the other. Either way, the gel helps the cells stay suspended and prevents them from settling and clumping.

Bioink -- Organs are made of tissues, and tissues are made of cells. To print an organ, a scientist must be able to deposit cells specific to the organ she hopes to build. For example, to create a liver, she would start with hepatocytes -- the essential cells of a liver -- as well as other supporting cells. These cells form a special material known as bioink, which is placed in the reservoir of the printer and then extruded through the print head. As the cells accumulate on the platform and become embedded in the microgel, they assume a three-dimensional shape that resembles a human organ .

Alternatively, the scientist could start with a bioink consisting of stem cells , which, after the printing process, have the potential to differentiate into the desired target cells. Either way, bioink is simply a medium, and a bioprinter is an output device. Up next, we'll review the steps required to print an organ designed specifically for a single patient.

When researchers built 3-D printers capable of depositing bioink and forming living masses of cells, they celebrated a major achievement. Then they immediately began to tackle the next big problem: How can bioprinting produce an organ for a specific person? To accomplish this, a medical team needs to collect data about the organ in question -- its size, shape and placement in the patient's body. Then team members need to concoct a bioink using cells taken from the patient. This ensures that the printed organ will be compatible genetically and won't be rejected once it's transplanted in the patient's body.

For simple organs, such as bladders, researchers don't print the living tissue directly. Instead, they print a 3-D scaffold made of biodegradable polymers or collagen. To determine the exact shape of the scaffold, they first build a 3-D model using computer-aided design (CAD) software. They usually define the exact x-, y- and z-coordinates of the model by taking scans of the patient using computerized tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) technology.

Next, researchers get the cells they need by taking a biopsy of the patient's bladder. They then place the cell samples in a culture, where they multiply into a population sufficiently large enough to cover the scaffold, which provides a temporary substrate for the cells to cling to as they organize and strengthen. Seeding the scaffold requires time-consuming and painstaking handwork with a pipette. It generally takes about eight weeks before such artificial bladders are ready for implantation. When doctors finally place the organ in the patient, the scaffold has either disappeared or disappears soon after the surgery.

The procedure above works because bladder tissue only contains two types of cells. Organs like kidneys and livers have a far more complex structure with a greater diversity of cell types. While it would be easy enough to print a scaffold, it would be almost impossible to recreate the three-dimensional structure of the tissue manually. A bioprinter, however, is ideally suited to complete such a time-consuming, detail-oriented task.

Here are the steps to print a complex organ:

The final step of this process -- making printed organ cells behave like native cells -- has been challenging. Some scientists recommend that bioprinting be done with a patient's stem cells. After being deposited in their required three-dimensional space, they would then differentiate into mature cells, with all of the instructions about how to "behave." Then, of course, there's the issue of getting blood to all of the cells in a printed organ. Currently, bioprinting doesn't offer sufficient resolutions to create tiny, single-cell-thick capillaries. But scientists have printed larger blood vessels, and as the technology improves, the next step will be fully functional replacement organs , complete with the vascularization necessary to remain alive and healthy.

At the time of publication, surgeons hadn't implanted an organ printed from scratch into a human. That doesn't mean there haven't been successes. Replacing parts of the skeleton is one area being revolutionized by 3-D printing. Some dentists now take an intra-oral scan of a patient's teeth and send the scan to a lab that fashions a porcelain bridge using a 3-D printer. Prosthetic manufacturers also have changed their approach to designing artificial limbs. Now, many are able to print fairings -- prosthetic limb covers -- that mold perfectly to a person's anatomy, giving the wearer a more comfortable fit. These are just preludes to what the future may hold: printing entire bones for placement in the body. Doctors in the Netherlands have already created a lower mandible on a 3-D printer and implanted the jaw -- made from bioceramic-coated titanium -- in a patient suffering from a chronic bone infection.

Scientists have also successfully printed cartilaginous structures, such as ears and tracheas. To make the former, bioengineers take a 3-D scan of a patient's ear, design a mold using CAD software and then print it out. Then they inject the mold with cartilage cells and collagen. After spending some time in an incubator, the ear comes out, ready for attachment to the patient. A trachea can be made in a similar fashion. In 2012, doctors at the University of Michigan printed a sleeve, made from a 3-D model generated from a CT scan, to wrap and support a baby's trachea, which had been rendered weak and floppy by a rare defect.

Il Santo Graal, ovviamente, è un organo biostampato e la pelle, l'organo più grande del corpo, potrebbe essere il primo elemento della lista. I ricercatori del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine hanno già sviluppato un sistema completo per stampare innesti cutanei. Il sistema include uno scanner per mappare la ferita di un paziente e una stampante a getto d'inchiostro appositamente costruita che stabilisce le cellule, le proteine ​​e gli enzimi necessari per formare la pelle umana. L'obiettivo è costruire stampanti portatili da utilizzare negli ospedali da campo, dove i medici possono stampare la pelle direttamente sui pazienti.

Fino a quando queste meraviglie non saranno online, gli organi 3-D svolgeranno un ruolo importante nell'istruzione e nello sviluppo di farmaci. Potrebbero anche prendere in considerazione lo sviluppo di prodotti alimentari e di abbigliamento (carne e pelle coltivate in laboratorio). Alcune scuole di medicina hanno investito nella tecnologia di stampa 3D per creare modelli chirurgici di organi da immagini TC o MRI. Ciò consente agli studenti di esercitarsi su cuori, fegati e altre strutture che sembrano e si sentono proprio come la cosa reale. L'accesso a tali tessuti realistici avvantaggia anche le aziende farmaceutiche, che possono testare i farmaci candidati per vederne gli effetti. Organovo ospita diverse stampanti in grado di stampare modelli tridimensionali di fegato, rene e tessuti cancerosi. Questi non sono organi pieni destinati a vivere indefinitamente. Invece, sono "organi su un chip" -- piccoli,

Forse un giorno, la biostampa renderà chiunque un Victor Frankenstein, in grado di stampare organi, ossa e muscoli e assemblare il tutto in un ragionevole facsimile di un essere umano. Poi di nuovo, c'è il problema del sistema nervoso. Anche i migliori scanner, stampanti, inchiostri e gel non saranno all'altezza quando si tratta di ricreare un cervello che pensa e sogna. E senza quello, i nostri sforzi ci lascerebbero con una collezione di organi anatomicamente corretti e tridimensionalmente accurati, ma niente per controllarli.

Chi è il capo della biostampa?

Negli Stati Uniti, quel ruolo ricadrebbe sulla Food and Drug Administration, ma questo è anche un nuovo territorio per l'agenzia. Secondo un post sul blog del 15 agosto 2013, due laboratori dell'Office of Science and Engineering Laboratories (OSEL) dell'agenzia sono sul caso. Il Laboratorio di Meccanica dei Solidi è impegnato a valutare "come diverse tecniche e processi di stampa influenzino la resistenza e la durata dei materiali utilizzati nei dispositivi medici". Il Functional Performance and Device Use Laboratory ha "sviluppato e adattato metodi di modellazione computerizzata per aiutarci a determinare l'effetto delle modifiche alla progettazione sulla sicurezza e sulle prestazioni dei dispositivi quando utilizzati in diverse popolazioni di pazienti" [fonte: Pollack e Coburn ].

Nota dell'autore: come funziona la biostampa 3D

Ricordo la mia prima stampante: una macchina da scrivere Brother collegata a un Commodore 64, seguita da una stampante a margherita alimentata da un PC IBM. Difficile credere che un giorno potremmo avere biostampanti sui nostri desktop. Se lo facciamo, mi chiedo dove andremo a prendere nuove cartucce bioink?

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