Speciale Stampanti 3D: a quando i tessuti umani?

I primi studi clinici sulla stampa di tessuti umani sono già stati avviati. In futuro, potremmo quindi ricostruire parti del corpo umano in laboratorio, da utilizzare per la realizzazione di protesi e persino organi.

speciale Stampanti 3D: a quando i tessuti umani?
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Le stampanti 3D hanno riscosso negli ultimi anni un successo davvero inaspettato, con un'ampia crescita delle soluzioni disponibili sul mercato ed un veloce abbassamento dei prezzi. Tantissime compagnie e start-up hanno creato la loro versione, con costi, ingombri e caratteristiche differenti, adattandosi ormai ad ogni tipo di utenza. Visto il contesto attuale, se prima le stampanti 3D erano esclusiva di fabbriche o di studi professionali, adesso non è più strano vederle anche in ambienti domestici, utilizzate da piccoli artigiani o da semplici amanti della tecnologia e del fai da te. Se il trend dovesse continuare in tale direzione, tra qualche anno avremo tutti in casa, accanto ad una classica inkjet o laser, anche un modello in grado di creare interi oggetti tridimensionali. Ma come funziona davvero tale tecnologia? Si tratta certamente di un'evoluzione della stampa classica, ma sfrutta un tipo di supporto completamente differente. Al posto del toner abbiamo un filamento di materiale plastico, che viene depositato su di una superficie metallica uno strato alla volta, fino a creare un oggetto tridimensionale. Esistono poi vari metodi alternativi per ottenere il prodotto finito, basati su meccanismi differenti, utilizzati in larga parte quando la materia prima non è la plastica ma, ad esempio, metallo o ceramica.
Proprio l'incredibile versatilità della stampa tridimensionale, sia per quanto riguarda i supporti che per le tecniche utilizzabili, ha portato tale tecnologia anche in altri settori, alcuni decisamente inaspettati. Uno di questi è sicuramente il campo medico-farmaceutico. Una stampante 3D può infatti venire utilizzata per creare protesi o tessuti biologici, testare farmaci ed in futuro, addirittura, riprodurre interi organi completamente funzionanti. L'idea che sta dietro all'applicazione di tale tecnologia, in medicina, è quella di poter creare del tessuto biologico, partendo da cellule umane e polimeri biocompatibili, che possa essere utilizzato in vari campi, sostituendo metodi più complicati e/o costosi: ad esempio, come oggetto di studio o di test, fino ad arrivare alla creazione di parti del corpo pronte per essere trapiantate in un qualsiasi paziente, rendendo superflua la ricerca di un donatore. Certo, il viaggio per arrivare a questo punto è ancora decisamente lungo, ma tanti piccoli passi in questa direzione sono già stati fatti. Prima però di parlare di quello che può essere riprodotto, è meglio chiarire cosa intendiamo per stampa 3D in medicina.

Come funziona la stampa di tessuti umani?

Per creare un tessuto biologico non basta inserire delle cellule in una cartuccia e stampare una forma creata precedentemente al computer. Anche se il meccanismo utilizzato non si discosta eccessivamente da questo approccio, si tratta ovviamente di un procedimento molto più complesso. Immaginiamo di dover ricreare in laboratorio l'orecchio esterno di un paziente colpito da una malformazione congenita. Per prima cosa è necessario sapere quello che vogliamo ottenere: basandoci sulla diagnostica per immagini, o imaging biomedico, è possibile analizzare il tessuto danneggiato ed il tessuto sano, delineando le caratteristiche che dovrà avere l'orecchio da impiantare. In seguito si passa alla riproduzione su computer, con software che assomigliano molto ai CAD usati per la stampa 3D classica. In campo medico però, non basta ricreare la forma esterna dell'organo, o dell'orecchio in questo caso, ma va riprodotta perfettamente la mini struttura biologica-funzionale che compone il tessuto, che va a formare tutto il composto organico di cui si ha bisogno. Per fare questo, vengono in aiuto potenti programmi in grado di simulare e riprodurre i singoli componenti strutturali che costituiscono il nostro "organo". In altre parole, per creare un modello che rappresenti coerentemente l'orecchio, è necessario riprodurre l'unità fondamentale che compone il tessuto di cui è costituito e, in seguito, utilizzarla per comporre la forma finale che si intende stampare.
Una volta sviluppata l'immagine 3D che vogliamo ricreare, non rimane che selezionare la ‘cartuccia' da utilizzare per la stampa. Il toner si basa su un insieme di cellule e polimeri di materiale sintetico o naturale, da scegliere a seconda del tessuto da riprodurre. Vanno accuratamente selezionati i componenti, ricordando due cose fondamentali: il materiale usato deve consentire la replicazione dei tessuti biologici, una volta trapiantato nel paziente, e devono essere rispettate l'organizzazione funzionale e le caratteristiche biologiche del tessuto naturale, pena il rischio elevato di rigetto. Una volta scelto il materiale più adatto allo scopo, non resta che effettuare la stampa vera e propria, che può avvenire utilizzando diversi meccanismi. I più importanti sono rappresentati dalla stampa "inkjet" e da quella per micro-estrusione. La prima utilizza una tecnica molto simile alla classica stampa inkjet, e permette di ottenere, se necessario, anche un prodotto non tridimensionale, come ad esempio materiale per test farmacologici. Questo meccanismo viene utilizzato principalmente per tessuti quali pelle e cartilagine. Al posto della cartuccia di colore si utilizza un composto biologico e al posto della carta una superficie controllata elettronicamente, che può essere spostata anche lungo l'asse Z, permettendo la creazione di un oggetto tridimensionale. Naturalmente questo tipo di stampa richiede che l'ugello venga riscaldato per permettere al materiale di uscire dalla testina: si corre quindi il rischio che il calore comprometta la struttura delle cellule. Gli studi hanno però evidenziato che la temperatura al quale il materiale biologico è sottoposto durante queste procedure non è abbastanza elevata per creare danni alla stabilità molecolare. La seconda modalità è praticamente identica a quella classica utilizzata dalle stampanti 3D. Il macchinario ricopia l'immagine riprodotta al PC, estrudendo il materiale biologico riscaldato direttamente su una piastra mobile. In breve viene prodotta una copia esatta del rendering 3D ideato al computer. Questa tecnica ha un vantaggio rispetto alla precedente: permette infatti di creare prodotti ad alta densità di cellule, ed è quella che potrebbe venire sfruttata in futuro anche per riprodurre interi organi umani. Una volta che il tessuto è stato stampato, esso, a seconda dei casi, può essere direttamente impiantato nel paziente, portato a maturazione in bio-reattori prima di poter essere utilizzato, o testato in vitro.

Cosa si può realizzare?

Il procedimento delineato è purtroppo ancora in fase di studio e molte cose di cui abbiamo parlato sono, ad oggi, ancora irrealizzabili. Tralasciando il discorso sugli organi complessi, impossibili da stampare al momento, soffermiamoci su quello che attualmente siamo in grado di riprodurre usando una stampante 3D. È possibile creare un orecchio, come nell'esempio fatto sopra? Nì. La tecnologia attuale ancora non permette la stampa diretta della parte del corpo da trapiantare, anche se molti esperimenti stanno andando in questa direzione. Purtroppo esistono ancora troppe problematiche irrisolte, tra le quali quelle relative al rischio elevato di rigetto. La stampa 3D può essere comunque utilizzata per la chirurgia plastica-ricostruttiva, ma in un modo differente: viene infatti sfruttata per riprodurre una copia perfetta, in materiale plastico, della parte del corpo da impiantare nel paziente, nel nostro caso l'orecchio esterno. Il calco viene poi riempito con un idrogel formato da collagene di ratto e cartilagine di mucca. Il collagene è l'impalcatura che le cellule cartilaginee utilizzano per impiantarsi e svilupparsi nella forma corretta. Il tutto viene poi fatto crescere, per qualche giorno, in un apposito terreno di coltura e impiantato sulla schiena di un ratto da laboratorio. Tre mesi dopo la nuova cartilagine ha colonizzato quasi completamente il collagene e l'orecchio è pronto per essere impiantato nel paziente. Questo è quanto.

Per ora la stampa 3D in campo medico viene utilizzata più frequentemente per altri scopi: può ad esempio riprodurre tessuti per test farmacologici, ne avevamo già parlato con la stampante Biobots, o per finalità di studio. Ma può essere d'aiuto anche ad un chirurgo per prepararsi ad un intervento. Tramite tac, RX, ecografie, è possibile sviluppare un'immagine tridimensionale dell'organo che deve essere operato, individuando, ad esempio, il punto esatto in cui si trova il tumore. Grazie ad una stampante 3D potrebbe essere creata una perfetta riproduzione dell'ambiente in cui si troverà il chirurgo, che con la sua equipe può studiare, prima dell'intervento, la metodologia più accurata per agire sul paziente, minimizzando i rischi. Da non tralasciare poi il settore delle protesi, forse il più interessato dall'avvento della nuova tecnologia: proprio grazie alle stampanti tridimensionali possono essere creati arti incredibilmente verosimili, in breve tempo e con costi molto più contenuti.

Stampanti 3D La stampa 3D in campo medico si sta già rivelando molto utile e lo sarà ancora di più in futuro, quando le nuove tecnologie ci permetteranno cose prima impossibili. Purtroppo mancano ancora molti anni prima di poter eliminare il bisogno di donatori e stampare organi perfettamente funzionanti in laboratorio. La strada è decisamente lunga, anche se gli studi e gli investimenti in tal senso non mancheranno di certo. Per ora possiamo solo limitarci ad osservare, speranzosi e affascinati, gli sviluppi scientifici in atto: un giorno, in un futuro si spera non troppo lontano, potremmo davvero essere salvati da un gruppo di scienziati che hanno stampato un organo, partendo da qualche nostra cellula, utilizzando una macchina non molto diversa da quella che avremo a casa.