Stampa in 3D e Bioprinting, tesina

Lorenzo Marini

5A Scientifico

- II -

“La medicina è fatta di tre cose: la malattia, il paziente, il medico; quest’ultimo è il servo dell’arte”

(Ippocrate)

- III -

Indice

Riassunto ........................................................................................................................ pag. 1

1. Introduzione .............................................................................................................. pag. 3

1.1 Tissue Engineering ................................................................................................. pag. 3

1.2 Bioprinting ............................................................................................................... pag. 4

1.3 Da dove nasce il bioprinting .................................................................................... pag. 6

2. Applicazioni pratiche .............................................................................................. pag. 8

2.1 Gli esoscheletri ....................................................................................................... pag. 8

2.2 Trachea 3D ............................................................................................................. pag. 10

2.3 L’orecchio 3D ......................................................................................................... pag. 11

2.4 Il cuore 3D .............................................................................................................. pag. 12

2.5 Protesi ossee .......................................................................................................... pag. 13

2.6 I vasi sanguigni e loro importanza .......................................................................... pag. 17

2.6.1 Risultati ............................................................................................................... pag. 18

2.6.2 Conclusioni ......................................................................................................... pag. 19

3. Tecniche e strumenti ............................................................................................... pag. 20

3.1 Stampante............................................................................................................... pag. 20

3.2 Struttura stampante ............................................................................................... pag. 21

3.2.1 Cell delivery system ............................................................................................ pag. 22

3.2.2 Motion system ..................................................................................................... pag. 22

3.2.3 Control hardware and software ........................................................................... pag. 22

3.3 Limitazioni nella stampa .......................................................................................... pag. 23

3.3.1 Aggregazione cellulare e salt scaling ................................................................... pag. 23

3.3.2 Cell damage ........................................................................................................ pag. 23

3.4 Pulizia cartucce ...................................................................................................... pag. 24

4. Materiali .................................................................................................................... pag. 24

4.1 Biomateriali ............................................................................................................. pag. 24

4.2 Proprietà ................................................................................................................. pag. 25

4.3 Biomateriali di sintesi e naturali .............................................................................. pag. 26

4.3.1 Biomateriali di sintesi .......................................................................................... pag. 26

4.3.2 Biomateriali naturali ............................................................................................ pag. 26

- IV -

4.4 Bioink ...................................................................................................................... pag. 28

4.4.1 Cell culture........................................................................................................... pag. 28

4.4.2 Composizione bioink ........................................................................................... pag. 28

4.5 Biopaper ................................................................................................................. pag. 29

5. Scaffold .................................................................................................................... pag. 29

5.1 Cos’è lo scaffold ..................................................................................................... pag. 29

5.2 Scaffold 3D con canali integrati .............................................................................. pag. 31

6. Conclusioni ............................................................................................................... pag. 31

6.1 Stato attuale ............................................................................................................ pag. 31

6.1.1 Tessuto epatico ................................................................................................... pag. 34

6.1.2 Biopenna.............................................................................................................. pag. 38

6.2 Previsioni future ...................................................................................................... pag. 39

6.3 Aziende ................................................................................................................... pag. 39

7. Curve 3D nello spazio .............................................................................................. pag. 40

7.1 Superfici cilindriche ................................................................................................ pag. 41

7.2 Superfici sferiche ................................................................................................... pag. 42

7.3 Superfici coniche .................................................................................................... pag. 43

7.4 Paraboloide ellittico ................................................................................................ pag. 44

7.5 Ellissoide ................................................................................................................ pag. 44

7.6 Iperboloide a una falda ........................................................................................... pag. 44

7.7 Iperboloide a due falde ........................................................................................... pag. 45

7.8 Paraboloide iperbolico ............................................................................................ pag. 45

7.9 Un cuore matematico .............................................................................................. pag. 46

7.9.1 Cardioide di rotazione .......................................................................................... pag. 50

Bibliografia ................................................................................................................... pag. 53

Sitografia ...................................................................................................................... pag. 55

Ringraziamenti ............................................................................................................. pag. 56

- V -

Riassunto

Cos’è che porta avanti la scienza? La curiosità insita in ognuno di noi fin dai primordi della nostra esistenza, una curiosità infinita, interminabile, inarrestabile. Una curiosità necessaria alla nostra esistenza, essenziale alla nostra anima per rispondere alle domande, la cui risposta, in molti casi, ancora oggi ci è ignota.

Un giorno, guardando la televisione, al TG4 della sera, in un servizio, la giornalista affermava: “Bioprinting, la nuova frontiera della medicina”. Da qui, probabilmente spinto proprio da questa curiosità e dall’interesse che da sempre nutro verso l’ambito scientifico, ho deciso di affrontare questo, come argomento principale del mio approfondimento per l’esame di stato.

Coerente anche all’ambito universitario e lavorativo in cui mirerei ad inserirmi, questo argomento, nuovo e poco trattato, spero attirerà l’attenzione e la “curiosità” dei commissari.

La tecnologia è sempre stata a disposizione della medicina, gli esempi sono innumerevoli, basti pensare come lo sviluppo di sistemi ottici sofisticati uniti all’elettronica abbia permesso la realizzazione di strumenti quali i microscopi elettronici, così elaborati da permettere ai ricercatori di individuare e capire molti dei meccanismi biologici che regolano il funzionamento delle cellule che compongono organi ed apparati del nostro corpo.

L’uso applicato dell’elettronica ha permesso la realizzazione di apparecchi in grado di regolare il battito cardiaco (PaceMaker). Lo sviluppo di software di calcolo ha permesso di ricostruire la sequenza genica delle proteine e del DNA. L’evoluzione della chimica industriale e lo studio dei materiali permette oggi di creare composti biocompatibili ed impiantabili per la realizzazione di protesi e strumenti biomedicali.

La continua evoluzione delle tecniche di stampa sia in 2D che in 3D, unita ad una sempre maggior capacità di realizzare nuovi materiali biocompatibili, ha già permesso di realizzare protesi personalizzate e ha dato il via, negli ultimi dieci anni, alla ricerca e sviluppo nell’area del tissue engineering, di nuove tecniche quali il bioprinting: si tratta di un approccio automatizzato che, tramite software e hardware dedicati, depone drop-on-demand materiale biologico su un supporto per produrre tessuti da impiegare in ambito medico e/o farmaceutico.

Il bioprinting si basa sostanzialmente su tre “B”: il Bioink è la soluzione, costituita in prevalenza da cellule, che viene deposta sulla Biopaper, scaffold naturale e bioriassorbibile che funge da matrice, attraverso la Bioprinter, stampante inkjet modificata. Queste cellule fondendosi daranno vita alla struttura desiderata.

Nel presente lavoro, sono brevemente illustrate le caratteristiche tecniche delle stampanti ma più in particolare presentati i risultati finora raggiunti, come la realizzazione di protesi personalizzate, innesti di ossa, scaffold innovativi, microvasi sanguigni e di altri tessuti umani come quello epatico.

La sfida della tecnica sarà quella di supportare la medicina a superare una delle sue grandi frontiere: duplicare organi, o parte di essi, da utilizzare nei trapianti non come semplici “toppe” ma integrandosi con il paziente ricevente (si parla sempre più di trapianti autologhi) risolvendo così il problema del rigetto e biocompatibilità.

Vi è poi, la possibilità di coltivare i tessuti partendo dal prelievo di poche cellule, abbattendo la barriera della mancanza di donatori.

Nel campus della Washington State University, lungo i corridoi di specializzazione Mechanical and Materials Engineering si sta progettando l’ultimo scatto dell’evoluzione. L’ultimo sviluppo della medicina rigenerativa vede un team di scienziati impegnati a realizzare parti del corpo in laboratorio elaborando elementi chimici e biologici da far incontrare come in nuovo esplosivo Big Bang a misura d’uomo (…)

Alla base degli studi che potrebbero rivoluzionare la scienza medica c’è il nuovo prodigio della tecnologia, la stampante in grado di creare oggetti, in uso da tempo negli studi di architettura per riprodurre modellini, ha recentemente conquistato nuova vita. È stata usata per creare un nuovo modo di pensare il futuro, utilizzando le stampanti 3D come macchine in grado di riprodurre parti del corpo umano.

L’Uomo bicentenario di Isaac Asimov non è ancora tra noi, ma lo sviluppo delle biostampanti può riservarci grandi sorprese. Anche il presidente degli USA Barack Obama nel suo ultimo Discorso sullo Stato dell’Unione ha elogiato la stampa 3D «che ha il potenziale per rivoluzionare il nostro modo di fare quasi tutto».

¹ Da Il Messaggero del 26 giugno 2013, estratto pag. 27

- 2 -

Introduzione

1.1 Tissue Engineering [1.1; 1.3; 1.4; 1.5]

Il tissue engineering (Ingegneria dei Tessuti TE) è una scienza multidisciplinare che, attraverso i principi della chimica, della biochimica, della medicina, dell’ingegneria, della fisica e della matematica, si propone di costruire in vitro tessuti biologici (epiteliali, vascolari, nervosi, ossei, cartilaginei,…) destinati alla sostituzione di parti del corpo umano danneggiate o affette da patologie.

È un campo di ricerca multidisciplinare emerso recentemente all’interno dell’area dei biomateriali che sta avendo una crescente diffusione nella comunità scientifica. I primi articoli in cui si cominciò a parlare delle tecniche e degli approcci che confluirono nel tissue engineering furono pubblicati nella seconda metà degli anni Ottanta del secolo scorso.

Le pubblicazioni nel corso di questi trent’anni si sono fatte sempre più numerose e ampie. Semplificando, si può dire che le varie tecniche di tissue engineering si compongono da quattro parti fondamentali:

• Cellule;
• Molecole biologiche;
• Scaffold;
• Fattori di crescita.

Per ottenere le cellule da usare vi sono vari metodi, ma una prima distinzione si può fare tra le cellule di tessuti fluidi come il sangue, o le cellule di tessuti solidi come la pelle.

Nel primo caso si usano metodi come la centrifugazione o l’aferesi per separare le cellule dagli altri componenti. Per quanto riguarda invece le cellule di tessuti solidi si procede prima alla frammentazione del tessuto e poi tramite l’impiego di enzimi, che digeriscono la matrice extracellulare, si ottengono cellule in ambiente liquido che verranno trattate come nel primo caso.

Le cellule impiegate possono essere di vario tipo:

• Autologhe: prelevate dallo stesso individuo su cui sarà eseguito l’impianto. Questo tipo di cellule abbatte drasticamente i problemi di rigetto e di trasmissione di malattie;
• Allogeniche: provenienti da un donatore della stessa specie;
• Xenogeniche: ottenute da un donatore di un’altra specie;
• Staminali: cellule indifferenziate che hanno la capacità, crescendo, di dividersi in cellule specializzate di vario tipo.

Lo Scaffold è un supporto in cui vengono generalmente impiantate le cellule e fornisce un sostegno alla crescita del tessuto. Gli Scaffold possono essere biodegradabili o permanenti, naturali o sintetici, ma devono sempre essere biocompatibili.

Le funzioni dello Scaffold, oltre a quella di sostegno, sono anche di permettere l’adesione e il movimento delle cellule e fungere da trasportatore di fattori biochimici e di sostanze necessarie allo sviluppo delle cellule.

Materiali sintetici usati sono ad esempio il PLA (acido polilattico), PGA (acido poliglicolico) e il PCL (acido policaprolattone) e molti altri sviluppati recentemente.

Molti materiali naturali sono derivati dalla ECM (matrice extra-cellulare) come fibrina e GAGs (glicosamminoglicani). Tra i GAGs uno dei più usati è l’acido ialuronico, abbondantemente presente nel nostro organismo.

I fattori di crescita o grow factors servono per far maturare il tessuto appena stampato il più velocemente possibile. Vi è un ampio margine di miglioramento in questo ambito, infatti al momento la tecnica più usata prevede tempi di maturazione anche di mesi.

Il passaggio quindi da una struttura allo stato liquido a una solida dove le varie sfere di bioink si sono fuse assieme, è un fattore fondamentale e al momento limitante.

Due differenti approcci si sono evidenziati negli ultimi anni: Top-down e Buttom-up.