Approcci innovativi per applicazioni biomediche
Il 3D bioprinting è una tecnica innovativa di stampa tridimensionale, derivante dalle normali tecniche di stampa 3D di tipo strato-su-strato, che utilizza materiali biocompatibili (chiamati bio-inks) combinati a cellule per costruire strutture simili a tessuti funzionali da utilizzare in ambito biomedicale quali protesi o parti di organi per trapianti.
Il processo di biostampa 3D si basa su un principio di biomimetica, cioè la creazione di biomateriali artificiali identici ai loro equivalenti naturali. Questo richiede la duplicazione della forma, del microambiente e dell’impalcatura strutturale di organi o tessuti naturali.
Le tecniche tradizionali di ingegneria dei tessuti si basano su scaffold prefabbricati sui quali vengono depositate cellule di vario tipo, al fine di ottenere tessuti funzionali per medicina rigenerativa o impianto di protesi. Questi scaffold, tuttavia, non permettono una crescita accurata delle componenti biologiche. Al contrario, il 3D bioprinting consente di generare costrutti altamente specifici, personalizzati e biocompatibili sui quali depositare direttamente i bio-inks mischiati con la componente cellulare, favorendo una rigenerazione più efficace dei tessuti grazie ad una riproduzione più fedele dell’organizzazione originale. Generalmente, la forma da stampare deriva da ricostruzioni di tomografia assiale computerizzata o imaging in risonanza magnetica, ricostruite digitalmente in un rendering tridimensionale.
Nell’ambito specifico delle applicazioni protesiche e dei trapianti, il 3D bioprinting offre il grande vantaggio di ridurre la dipendenza da tessuti donatori e soprattutto il rischio di rigetto immunologico. Questo risultato è raggiunto dall’uso di cellule autologhe (cioè, cellule prelevate dallo stesso paziente) incorporate nei bio-inks, migliorando l’integrazione a lungo termine del tessuto rigenerato.
Dal punto di vista tecnico, il 3D bioprinting si differenzia in base al tipo di bio-ink utilizzato e alle procedure utilizzate per la stampa. Nel primo caso, il grado di viscosità del bioinchiostro è un parametro fondamentale: maggiore è la viscosità maggiore è la stabilità e resistenza del tessuto ricreato, ma più difficile è la sua “stampa”. Le tecniche di stampa, invece differiscono, tra le altre cose, per principio di funzionamento e di risoluzione spaziale e si dividono in:
EXTRUSION-based bioprinting: è la tecnica più diffusa. Si basa sull’estrusione del bio-ink sotto forma di filamenti, attraverso un ugello di varie dimensioni, mediante sistemi pneumatici o meccanici. La deposizione del bio-ink e la sua polimerizzazione sono fondamentali per generare costrutti 3D. Modulando la dimensione dell’ugello, la pressione di estrusione e la velocità di stampa si può ottenere una risoluzione spaziale dell’ordine di 10-100 micron. Tra i limiti di questa tecnica c’è lo shear stress (stress di taglio) applicato sulle cellule in fase di estrusione, che può impattare sulla vitalità cellulare, sebbene i tassi di sopravvivenza in alcuni casi possono superare il 90%.
INKJET bioprinting: micro-gocce (1-100 pL di volume) di bio-ink vengono generate mediante tecniche piezoelettriche, termiche o acustiche, estruse attraverso un ugello grazie a impulsi controllati, e depositate su un substrato fabbricando tessuti secondo un processo strato-su-strato. Questa tecnica assicura un’alta velocità di stampa, una discreta risoluzione spaziale (~ 100 micron), una buona vitalità cellulare (>85%) e costi generalmente bassi. Tuttavia, l’utilizzo di bio-ink a bassa viscosità da una parte aumenta il rischio di “splashing” delle gocce (deformazione incontrollata quando la goccia raggiunge la superficie) incidendo sulla precisione strutturale, o sulla funzionalità del tessuto stampato.
LASER-assisted bioprinting (LAB): tecnica di stampa senza contatto, derivata dalla tecnologia Laser-Induced Forward Transfer (LIFT). In questo sistema, che non prevede l’uso di un ugello, un impulso laser colpisce uno strato assorbente che serve da supporto al bio-ink, portando alla formazione di una micro-bolla che fa colare il bio-ink verso il substrato di destinazione fabbricando la struttura 3D secondo un processo strato-su-strato. Principali vantaggi sono l’altissima vitalità cellulare (>95%), elevata risoluzione di stampa (fino a 10 micron) e possibilità di utilizzare bio-inks ad alta viscosità.
Bioprinting in situ.
Sebbene la biostampa 3D abbia raggiunto livelli di precisione e accuratezza elevati, essa presenta alcune limitazioni legate alla fabbricazione “esterna” dei costrutti, principalmente relative ad una non perfetta adesione dello stampato al tessuto ospite. A tal fine, è stato introdotto il concetto di “bioprinting in situ”, che più che una nuova tecnica di stampa, rappresenta un cambiamento sostanziale del contesto di applicazione del bioprinting. In questo caso, la stampa del bio-ink avviene direttamente sul tessuto lesionato, consentendo l’adesione immediata del bio-ink alla superficie biologica reale senza interfacce artificiali intermedie, quali suture o colle biologiche, e una continuità fisica tra costrutto e tessuto ospite fin dalle prime fasi della rigenerazione. Inoltre, contrariamente alla tradizionale biostampa 3D, che richiede l’uso di superfici piane sulle quali creare il costrutto, il bioprinting in situ si può effettuare anche in condizioni di ferita molto più complesse, come forme irregolari di difetti, infiammazione e sanguinamento. Questo tuttavia richiede una pianificazione specifica e rapida del processo di stampa che deve tenere conto della gestione delle situazioni summenzionate. Sebbene le varie tecniche di bioprinting non siano intrinsecamente in situ, esse possono essere adattate a tale scopo se la stampa viene effettuata direttamente nel sito del difetto. Ogni sistema presenta limitazioni e vantaggi, pertanto ognuno di essi viene scelto in base alla specifica funzione che il tessuto andrà a svolgere. Sistemi di stampa portatili di tipo “handheld” sono usati per la biostampa in situ, combinando piccole dimensioni a elevata operabilità.
Sebbene le recenti tecniche di bioprinting in situ stiano mostrando risultati promettenti in modelli preclinici, lo sviluppo di materiali che soddisfino tutti i requisiti necessari rimane una sfida aperta. Alcuni bio-inks sono già applicabili in contesti sperimentali controllati, come ad esempio la rigenerazione della cute, del tessuto osseo, e di quello cartilagineo. Tuttavia, la riproducibilità e la sicurezza a lungo termine sono ancora oggetto di studio. Questo porta a considerare il bioprinting in situ come una tecnologia ancora in fase di ottimizzazione prima di una diffusione clinica su larga scala.
ConclusioneIl bioprinting 3D rappresenta una nuova frontiera della medicina, in particolare nell’ambito della medicina rigenerativa. La possibilità di ripristinare o sostituire tessuti e parti d’organo danneggiati mediante l’utilizzo di costrutti biologicamente attivi sviluppati direttamente su paziente, limitando il rischio di rigetto mediate l’uso di cellule autologhe e biomateriali inerti, apre la strada a nuove possibilità di terapeutiche. In questo contesto, il bioprinting 3D in situ emerge come un approccio particolarmente innovativo, in quanto consente la deposizione diretta di bio-inks sul sito lesionato, adattandosi in modo preciso alla morfologia del tessuto da rigenerare e favorendo un’integrazione più efficiente con l’ambiente biologico circostante. L’integrazione di questa tecnologia nella pratica clinica rappresenterebbe un cambiamento fondamentale nella gestione delle lesioni nell’ambito della sempre più richiesta “medicina personalizzata”.