Stampanti 3D in medicina: usi interessanti e potenziali applicazioni

Contenuto

• Trasformare la medicina con le stampanti 3D
• Come funziona una stampante 3D?
• Fare un orecchio
• Differenza tra uno stampo e un'impalcatura
• Potenziali vantaggi delle orecchie stampate
• Stampa di una mascella inferiore
• Protesi e articoli impiantabili
• Altri esempi
• Bioprinting con cellule viventi: un possibile futuro
• Sostituzione di organi e tessuti
• Alcuni successi di bioprinting
• Stampa di parti del cuore
• Creazione di una cornea
• Vantaggi di mini organi, organoidi o organi su un chip
• Una struttura che imita il polmone
• Alcune sfide per la bioprinting
• Riferimenti

Linda Crampton ha insegnato scienza e tecnologia dell'informazione agli studenti delle scuole superiori per molti anni. Le piace conoscere la nuova tecnologia.

Trasformare la medicina con le stampanti 3D

La stampa 3D è un aspetto entusiasmante della tecnologia che ha molte applicazioni utili. Un'applicazione affascinante e potenzialmente molto importante delle stampanti 3D è la creazione di materiali che possono essere utilizzati in medicina. Questi materiali includono dispositivi medici impiantabili, parti del corpo artificiali o protesi e strumenti medici personalizzati. Includono anche toppe stampate di tessuti umani viventi e mini organi. In futuro potrebbero essere stampati organi impiantabili.

Le stampanti 3D hanno la capacità di stampare oggetti solidi e tridimensionali basati su un modello digitale archiviato nella memoria di un computer. Un mezzo di stampa comune è la plastica liquida che si solidifica dopo la stampa, ma sono disponibili altri supporti. Questi includono metallo in polvere e "inchiostri" contenenti cellule viventi.

La capacità degli stampatori di produrre materiali compatibili con il corpo umano sta migliorando rapidamente. Alcuni dei materiali sono già utilizzati in medicina mentre altri sono ancora in fase sperimentale. Molti ricercatori sono coinvolti nelle indagini. La stampa 3D ha il potenziale allettante di trasformare le cure mediche.

Come funziona una stampante 3D?

Il primo passo nella creazione di un oggetto tridimensionale da parte di una stampante è progettare l'oggetto. Questo viene fatto in un programma CAD (Computer-Aided Design). Una volta terminato il disegno, un altro programma crea le istruzioni per produrre l'oggetto in una serie di strati. Questo secondo programma è talvolta noto come programma di slicing o come software slicer, poiché converte il codice CAD per l'intero oggetto in codice per una serie di sezioni o strati orizzontali. Gli strati possono essere centinaia o addirittura migliaia.

La stampante crea l'oggetto depositando strati di materiale secondo le istruzioni del programma affettatrice, partendo dal fondo dell'oggetto e procedendo verso l'alto. Gli strati successivi vengono fusi insieme. Il processo è indicato come produzione additiva.

Il filamento di plastica viene spesso utilizzato come supporto per la stampa 3D, specialmente nelle stampanti orientate al consumatore. La stampante scioglie il filamento e quindi espelle la plastica calda attraverso un ugello. L'ugello si muove in tutte le dimensioni mentre rilascia la plastica liquida per creare un oggetto. Il movimento dell'ugello e la quantità di plastica estrusa sono controllati dal programma affettatrice. La plastica calda si solidifica quasi immediatamente dopo essere stata rilasciata dall'ugello. Altri tipi di supporti di stampa sono disponibili per scopi speciali.

La parte dell'orecchio visibile dall'esterno del corpo è nota come padiglione auricolare o padiglione auricolare. Il resto dell'orecchio si trova nel cranio. La funzione del padiglione auricolare è quella di raccogliere le onde sonore e inviarle alla sezione successiva dell'orecchio.

Fare un orecchio

Nel febbraio 2013, gli scienziati della Cornell University negli Stati Uniti hanno annunciato di essere stati in grado di realizzare un padiglione auricolare con l'aiuto della stampa 3D. I passaggi seguiti dagli scienziati della Cornell sono stati i seguenti.

• Un modello di un orecchio è stato creato in un programma CAD. I ricercatori hanno utilizzato fotografie di orecchie reali come base per questo modello.
• Il modello dell'orecchio è stato stampato da una stampante 3D, utilizzando la plastica per creare uno stampo con la forma dell'orecchio.
• All'interno dello stampo è stato inserito un idrogel contenente una proteina chiamata collagene. Un idrogel è un gel che contiene acqua.
• I condrociti (cellule che producono cartilagine) sono stati ottenuti dall'orecchio di una mucca e aggiunti al collagene.
• L'orecchio di collagene è stato posto in una soluzione nutritiva in un piatto da laboratorio. Mentre l'orecchio era nella soluzione, alcuni dei condrociti hanno sostituito il collagene.
• L'orecchio è stato quindi impiantato nella parte posteriore di un ratto sotto la sua pelle.
• Dopo tre mesi, il collagene nell'orecchio era stato completamente sostituito con la cartilagine e l'orecchio aveva mantenuto la sua forma e la sua distinzione dalle cellule di ratto circostanti.

Differenza tra uno stampo e un'impalcatura

Nel processo di creazione dell'orecchio descritto sopra, l'orecchio di plastica era uno stampo inerte. La sua unica funzione era quella di fornire la forma corretta per l'orecchio. L'orecchio di collagene che si è formato all'interno dello stampo fungeva da impalcatura per i condrociti. Nell'ingegneria dei tessuti, uno scaffold è un materiale biocompatibile con una forma specifica e in cui crescono le cellule. L'impalcatura non solo ha la forma corretta, ma ha anche proprietà che supportano la vita delle cellule.

Da quando è stato eseguito il processo di creazione dell'orecchio originale, i ricercatori della Cornell hanno trovato un modo per stampare un'impalcatura di collagene con la forma corretta necessaria per creare un orecchio, eliminando la necessità di uno stampo di plastica.

Potenziali vantaggi delle orecchie stampate

Le orecchie realizzate con l'ausilio di stampanti potrebbero essere utili per le persone che hanno perso le proprie orecchie a causa di lesioni o malattie. Potrebbero anche aiutare le persone che sono nate senza orecchie o che non si sono sviluppate correttamente.

Al momento, le orecchie sostitutive sono talvolta realizzate con cartilagine nella costola di un paziente. Ottenere la cartilagine è un'esperienza spiacevole per il paziente e può danneggiare la costola. Inoltre, l'orecchio risultante potrebbe non sembrare molto naturale. Anche le orecchie sono realizzate con un materiale artificiale, ma ancora una volta il risultato potrebbe non essere del tutto soddisfacente. Le orecchie stampate hanno il potenziale per sembrare più simili alle orecchie naturali e per lavorare in modo più efficiente.

Nel marzo 2013, una società chiamata Oxford Performance Materials ha riferito di aver sostituito il 75% del cranio di un uomo con un teschio di polimero stampato. Le stampanti 3D vengono utilizzate anche per realizzare apparecchi sanitari, come arti protesici, apparecchi acustici e impianti dentali.

Stampa di una mascella inferiore

Nel febbraio 2012, scienziati olandesi hanno riferito di aver creato una mascella inferiore artificiale con una stampante 3D e di averla impiantata sul viso di una donna di 83 anni. La mascella era composta da strati di polvere di metallo di titanio fusa dal calore ed era ricoperta da un rivestimento bioceramico. I materiali bioceramici sono compatibili con il tessuto umano.

La donna ha ricevuto la mascella artificiale perché aveva un'infezione ossea cronica nella sua mascella inferiore. I medici ritenevano che la tradizionale chirurgia di ricostruzione facciale fosse troppo rischiosa per la donna a causa della sua età.

La mascella aveva articolazioni in modo che potesse essere spostata, così come cavità per l'attaccamento muscolare e scanalature per vasi sanguigni e nervi. La donna ha potuto dire qualche parola non appena si è svegliata dall'anestetico. Il giorno dopo riuscì a deglutire. Tornò a casa dopo quattro giorni. I denti falsi dovevano essere impiantati nella mascella in un secondo momento.

Le strutture stampate vengono utilizzate anche nella formazione medica e nella pianificazione pre-chirurgica. Un modello tridimensionale creato dalle scansioni mediche di un paziente può essere molto utile per i chirurghi, poiché può mostrare le condizioni specifiche all'interno del corpo del paziente. Questo può semplificare un intervento chirurgico complesso.

Protesi e articoli impiantabili

La mascella metallica sopra descritta è un tipo di parte del corpo protesica o artificiale. La produzione di protesi è un'area in cui le stampanti 3D stanno diventando importanti. Alcuni ospedali ora hanno le proprie stampanti o stanno lavorando in collaborazione con un'azienda di forniture mediche che dispone di una stampante.

La creazione di una protesi mediante la stampa 3D è spesso un processo più rapido ed economico rispetto alla creazione con metodi di produzione convenzionali. Inoltre, è più facile creare una vestibilità personalizzata per un paziente quando un dispositivo è progettato e stampato specificamente per la persona. Le scansioni ospedaliere possono essere utilizzate per creare dispositivi su misura.

Gli arti sostitutivi sono spesso stampati in 3D oggi, almeno in alcune parti del mondo. Le braccia e le mani stampate sono spesso notevolmente più economiche di quelle prodotte con metodi convenzionali. Una società di stampa 3D sta lavorando con Walt Disney per creare protesi di mani colorate e divertenti per i bambini. Oltre a creare un prodotto più economico e più abbordabile, l'iniziativa mira "ad aiutare i bambini a vedere le loro protesi come una fonte di eccitazione piuttosto che di imbarazzo o limitazione".

Altri esempi

• Alla fine del 2015, le vertebre stampate sono state posizionate con successo in un paziente. I pazienti hanno anche ricevuto uno sterno stampato e una gabbia toracica.
• La stampa 3D viene utilizzata per produrre impianti dentali migliorati.
• Le articolazioni dell'anca di ricambio vengono spesso stampate.
• I cateteri che si adattano alle dimensioni e alla forma specifiche di un passaggio nel corpo di un paziente potrebbero presto essere comuni.
• La stampa 3D è spesso coinvolta nella produzione di apparecchi acustici.

Bioprinting con cellule viventi: un possibile futuro

La stampa con cellule viventi, o bioprinting, sta avvenendo oggi. È un processo delicato. Le celle non devono diventare troppo calde. La maggior parte dei metodi di stampa 3D comportano temperature elevate, che ucciderebbero le cellule. Inoltre, il liquido vettore per le cellule non deve danneggiarle. Il liquido e le cellule che contiene sono noti come bioinchiostro (o bioink).

Sostituzione di organi e tessuti

La sostituzione di organi danneggiati con organi realizzati con stampanti 3D sarebbe una meravigliosa rivoluzione nella medicina. Al momento, non ci sono abbastanza organi donati disponibili per tutti coloro che ne hanno bisogno.

Il piano è quello di prelevare cellule dal corpo di un paziente per stampare un organo di cui hanno bisogno. Questo processo dovrebbe prevenire il rigetto d'organo. Le cellule sarebbero probabilmente cellule staminali, che sono cellule non specializzate che sono in grado di produrre altri tipi di cellule quando vengono stimolate correttamente. I diversi tipi di celle verrebbero depositati dalla stampante nell'ordine corretto. I ricercatori stanno scoprendo che almeno alcuni tipi di cellule umane hanno una straordinaria capacità di auto-organizzarsi quando vengono depositate, il che sarebbe molto utile nel processo di creazione di un organo.

Un tipo speciale di stampante 3D noto come bioprinter viene utilizzato per creare tessuti viventi. In un metodo comune per realizzare il tessuto, un idrogel viene stampato da una testina di stampa per formare un'impalcatura. Minuscole goccioline di liquido, ciascuna contenente molte migliaia di cellule, vengono stampate sull'impalcatura da un'altra testina di stampa. Le goccioline si uniscono presto e le cellule si attaccano l'una all'altra. Quando la struttura desiderata si è formata, lo scaffold di idrogel viene rimosso.Può essere rimosso o lavato via se è solubile in acqua. Possono essere utilizzati anche scaffold biodegradabili. Questi si degradano gradualmente all'interno di un corpo vivente.

In medicina, un trapianto è il trasferimento di un organo o di un tessuto da un donatore a un ricevente. Un impianto è l'inserimento di un dispositivo artificiale nel corpo del paziente. Il bioprinting 3D cade da qualche parte tra questi due estremi. Sia "trapianto" che "impianto" vengono utilizzati quando si fa riferimento a elementi prodotti da un bioprinter.

Alcuni successi di bioprinting

Gli impianti e le protesi non viventi creati da stampanti 3D sono già utilizzati negli esseri umani. L'uso di impianti contenenti cellule viventi richiede ulteriori ricerche, che vengono eseguite. Non è ancora possibile realizzare interi organi con la stampa 3D, ma le sezioni di organi sì. Sono state stampate molte strutture diverse, comprese macchie di muscolo cardiaco in grado di battere, macchie di pelle, segmenti di vasi sanguigni e cartilagine del ginocchio. Questi non sono ancora stati impiantati negli esseri umani. Nel 2017, gli scienziati hanno presentato un prototipo di una stampante in grado di creare pelle umana per l'impianto, tuttavia, e nel 2018 altri scienziati hanno stampato cornee in un processo che un giorno potrebbe essere utilizzato per riparare i danni agli occhi.

Alcune scoperte promettenti sono state riportate nel 2016. Un team di scienziati ha impiantato tre tipi di strutture bioprintate sotto la pelle dei topi. Questi includevano un padiglione auricolare umano delle dimensioni di un bambino, un pezzo di muscolo e una sezione di osso mascellare umano. I vasi sanguigni dell'ambiente circostante si estendevano in tutte queste strutture mentre erano nei corpi dei topi. Questo è stato uno sviluppo entusiasmante, poiché è necessario un apporto di sangue per mantenere in vita i tessuti. Il sangue trasporta i nutrienti ai tessuti viventi e porta via i loro rifiuti.

È stato anche emozionante notare che le strutture impiantate erano in grado di rimanere in vita fino a quando i vasi sanguigni non si erano sviluppati. Questa impresa è stata compiuta dall'esistenza di minuscoli pori nelle strutture che permettevano ai nutrienti di entrare in esse.

Stampa di parti del cuore

Creazione di una cornea

Gli scienziati dell'Università di Newcastle nel Regno Unito hanno creato cornee stampate in 3D. La cornea è la copertura trasparente e più esterna dei nostri occhi. Gravi danni a questo rivestimento possono causare cecità. Un trapianto di cornea spesso risolve il problema, ma non ci sono abbastanza cornee disponibili per aiutare tutti coloro che ne hanno bisogno.

Gli scienziati hanno ottenuto cellule staminali da una cornea umana sana. Le cellule sono state quindi poste in un gel a base di alginato e collagene. Il gel proteggeva le cellule mentre viaggiavano attraverso l'unico ugello della stampante. Sono stati necessari meno di dieci minuti per stampare il gel e le cellule nella forma corretta. La forma è stata ottenuta scansionando l'occhio di una persona. (In una situazione medica, l'occhio del paziente sarebbe stato scansionato.) Una volta stampata la miscela di gel e cellule, le cellule staminali hanno prodotto una cornea completa.

Le cornee prodotte dal processo di stampa non sono ancora state impiantate negli occhi umani. Probabilmente ci vorrà del tempo prima che lo siano. Tuttavia, hanno il potenziale per aiutare molte persone.

Stimolare le cellule staminali per produrre le cellule specializzate necessarie per creare una parte specifica del corpo umano al momento giusto è una sfida in sé. Tuttavia, è un processo che potrebbe avere benefici meravigliosi per noi.

Vantaggi di mini organi, organoidi o organi su un chip

Gli scienziati sono stati in grado di creare mini organi mediante la stampa 3D (e con altri metodi). I "mini organi" sono versioni in miniatura di organi, sezioni di organi o chiazze di tessuto di organi specifici. Sono indicati con vari nomi oltre al termine mini organo. Le creazioni stampate possono non contenere tutti i tipi di struttura che si trovano nell'organo a grandezza naturale, ma sono buone approssimazioni. La ricerca indica che potrebbero avere usi importanti, anche se non sono impiantabili.

I mini organi non sono sempre prodotti da cellule fornite da un donatore casuale. Invece, sono spesso realizzati dalle cellule di una persona che ha una malattia. I ricercatori possono controllare gli effetti dei farmaci sul mini organo. Se un farmaco risulta utile e non dannoso, può essere somministrato al paziente. Ci sono molti vantaggi in questo processo. Uno è che può essere utilizzato un farmaco che può essere utile per la versione specifica di una malattia del paziente e per il suo genoma specifico, il che aumenta le probabilità di un trattamento di successo. Un altro è che i medici possono essere in grado di ottenere un farmaco insolito o normalmente costoso per un paziente se possono dimostrare che è probabile che il farmaco sia efficace. Inoltre, testare farmaci su mini organi può ridurre la necessità di animali da laboratorio.

Una struttura che imita il polmone

Nel 2019, gli scienziati della Rice University e dell'Università di Washington hanno dimostrato la loro creazione di un mini organo che imita un polmone umano in azione. Il mini-polmone è costituito da un idrogel. Contiene una piccola struttura simile a un polmone che viene riempita d'aria a intervalli regolari. Una rete di vasi pieni di sangue circonda la struttura.

Quando stimolati, il polmone simulato ei suoi vasi si espandono e si contraggono ritmicamente senza rompersi. Il video mostra come funziona la struttura. Sebbene l'organoide non sia a grandezza naturale e non imiti tutti i tessuti di un polmone umano, la sua capacità di muoversi come un polmone è uno sviluppo molto importante.

Alcune sfide per la bioprinting

Creare un organo adatto per l'impianto è un compito difficile. Un organo è una struttura complessa contenente diversi tipi di cellule e tessuti disposti secondo uno schema specifico. Inoltre, quando gli organi si sviluppano durante lo sviluppo embrionale, ricevono segnali chimici che consentono alla loro struttura fine e al comportamento complesso di svilupparsi correttamente. Questi segnali mancano quando si cerca di creare artificialmente un organo.

Alcuni scienziati pensano che all'inizio, e forse per un po 'di tempo a venire, stamperemo strutture impiantabili in grado di svolgere una singola funzione di un organo invece di tutte le sue funzioni. Queste strutture più semplici possono essere molto utili se compensano un grave difetto del corpo.

Anche se è probabile che passeranno anni prima che gli organi bioprintati siano disponibili per gli impianti, potremmo vedere nuovi vantaggi della tecnologia prima di allora. Il ritmo della ricerca sembra aumentare. Il futuro della stampa 3D in relazione alla medicina dovrebbe essere molto interessante oltre che eccitante.

Riferimenti

• Un orecchio artificiale creato da una stampante 3D e cellule cartilaginee viventi dalla rivista Smithsonian.
• Mascella trapiantata realizzata con una stampante 3D della BBC (British Broadcasting Corporation)
• Lancette colorate stampate in 3D dall'American Society of Mechanical Engineers
• Bioprinter crea parti del corpo su misura coltivate in laboratorio per il trapianto da The Guardian
• Prima cornea umana stampata in 3D dal servizio di notizie EurekAlert
• La stampante 3D produce il fegato umano più piccolo mai realizzato da New Scientist
• Mini organi stampati in 3D imitano il battito del cuore e del fegato di New Scientist
• Un organo che imita i polmoni di Popular Mechanics
• La nuova stampante 3D produce orecchio, muscoli e tessuto osseo a grandezza naturale dalle cellule viventi di Science Alert
• Bioprinter 3-D per stampare la pelle umana dal nuovo servizio phys.org

Questo articolo è accurato e fedele al meglio delle conoscenze dell'autore. Il contenuto è solo a scopo informativo o di intrattenimento e non sostituisce consulenza personale o consulenza professionale in questioni aziendali, finanziarie, legali o tecniche.