3D necroprinting: la proboscide della zanzara come microugello biologico per la stampa 3D
L’idea alla base del 3D necroprinting nasce all’interno di un filone di ricerca che utilizza strutture biologiche non viventi come componenti meccanici. Il gruppo della University of Houston aveva già attirato attenzione con i cosiddetti “necrobots”, microgripper pneumatici basati sulle zampe di ragno, impiegati come attuatori morbidi a basso costo e biodegradabili. Ora la stessa logica viene applicata alla stampa 3D: invece di ispirarsi solo alla natura, si integra direttamente un elemento biologico – nel caso specifico la proboscide della zanzara Aedes aegypti – all’interno dell’hardware di stampa come ugello per il Direct Ink Writing (DIW).
Perché proprio la proboscide della zanzara Aedes aegypti
Prima di scegliere la zanzara, il team ha analizzato numerose microstrutture naturali: pungiglioni di insetti, zanne di serpente, vasi xilematici delle piante e altre strutture tubulari. L’obiettivo era individuare un “canale” naturale già ottimizzato dall’evoluzione per trasportare fluidi in modo stabile e controllato. La proboscide della Aedes aegypti è risultata particolarmente adatta: è sottile, quasi diritta lungo tutto il suo sviluppo e presenta un diametro interno medio compreso tra 20 e 25 micrometri, che consente di depositare linee di inchiostro dell’ordine di circa 20 µm, più fini di quelle ottenute con comuni ugelli metallici 36-gauge.
Proprietà meccaniche e fluidodinamiche del “bio-ugello”
La proboscide – o meglio il fascicolo di stiletti che la compone – non è solo sottile: mostra anche una rigidezza dell’ordine di 200 MPa, paragonabile a quella di diversi polimeri tecnici, e una geometria interna favorevole a un flusso laminare dell’inchiostro. I test mostrano che la struttura sopporta pressioni interne fino a circa 60 kPa prima di cedere, valore sufficiente per la maggior parte delle applicazioni di Direct Ink Writing a base di bioinchiostri o paste morbide. Rispetto alle punte in vetro borosilicato, che possono reggere pressioni superiori a 20.000 kPa, la proboscide è meno robusta, ma offre un compromesso interessante fra risoluzione, delicatezza sul materiale stampato e sostenibilità del componente.
Dal laboratorio alla macchina: come si costruisce l’ugello di 3D necroprinting
Per arrivare all’impiego pratico, i ricercatori hanno seguito una catena di preparazione precisa. Le zanzare Aedes aegypti vengono allevate in condizioni controllate, quindi sacrificate e dissezionate per isolare la proboscide. Il tessuto viene poi pulito, trattato e sterilizzato per eliminare residui organici indesiderati. Il fascicolo è quindi montato in punta a un comune tip da dispensazione, sostenuto da una piccola struttura di supporto stampata in 3D che ne migliora la stabilità meccanica. Questo “bio-ugello” viene infine integrato su un sistema DIW dedicato, trasformando di fatto il microorgano in una parte funzionale della testina di stampa.
Geometrie dimostrative e stampa con bioinchiostri
Una volta montato sulla piattaforma DIW, l’ugello basato su proboscide è stato testato con diversi bioinchiostri e formulazioni fluide. Tra le geometrie dimostrative ci sono una struttura a nido d’ape, una foglia di acero stilizzata e un bioscaffold caricato con cellule tumorali vive e globuli rossi. I risultati indicano che il sistema è in grado di generare strutture 3D con linee di circa 20 micrometri, mantenendo una buona continuità del filamento. L’aspetto più significativo riguarda la vitalità cellulare: oltre l’86% delle cellule sopravvive al processo di estrusione, un segnale che le sollecitazioni di taglio all’interno del canale biologico rimangono contenute rispetto a quelle tipiche di ugelli metallici molto stretti.
Confronto economico: dal metallo alla proboscide
Le punte micro-dispenser commerciali utilizzate nella microscala, soprattutto in ambito biomedico o microfluidico, possono arrivare a costare fino a 80 dollari per singolo ugello, spesso con possibilità di riuso limitata e realizzate in metallo o polimeri non biodegradabili. Nel caso del 3D necroprinting, il team stima che la preparazione di una proboscide pronta per l’uso costi circa 0,80 dollari, partendo da zanzare allevate in laboratorio e includendo i passaggi di raccolta e trattamento. Il risultato è un componente molto più economico e, soprattutto, completamente biodegradabile, che riduce sia il costo per esperimento sia il volume di rifiuti speciali generati in laboratorio.
Prestazioni, limiti e finestra operativa
L’ugello di origine biologica consente di lavorare in una finestra di processo ben definita: al di sotto di una certa pressione, il flusso di inchiostro diventa instabile; al di sopra di circa 60 kPa il fascicolo tende a rompersi. Gli ugelli in vetro o in metallo restano quindi preferibili dove sono richieste pressioni di esercizio molto elevate o materiali particolarmente viscosi. Al contrario, la proboscide risulta interessante quando servono strutture micrometriche, bioinchiostri sensibili e un ambiente di stampa che privilegi delicatezza e sostenibilità rispetto alle prestazioni estreme. Il fatto che gli ugelli di zanzara rimangano utilizzabili dopo fino a un anno di conservazione in congelatore li rende gestibili anche dal punto di vista logistico.
Aspetti etici, biosicurezza e gestione delle zanzare
Un elemento non trascurabile riguarda la gestione delle Aedes aegypti, vettori noti di malattie come dengue, febbre gialla e virus Zika. Nel lavoro descritto, le zanzare provengono da colonie sterili allevate in laboratorio, quindi non rappresentano un rischio diretto di trasmissione di patogeni. L’uso del solo tratto proboscidale, dopo trattamento e sterilizzazione, riduce ulteriormente le preoccupazioni di biosicurezza. Dal punto di vista etico, si tratta di organismi già impiegati in molti laboratori per studi entomologici e di controllo vettoriale; il progetto di 3D necroprinting si colloca in questo contesto, proponendo un riutilizzo funzionale delle loro microstrutture per applicazioni ingegneristiche.
Dai necrobots alla fabbricazione bioibrida
Il concetto di 3D necroprinting si inserisce in una linea di ricerca più ampia sulla fabbricazione bioibrida, dove parti biologiche non viventi vengono integrate in sistemi ingegnerizzati. La stessa University of Houston aveva presentato in precedenza microgripper basati su zampe di ragno (necrobots), azionati pneumaticamente e usati come pinze morbide per micro-oggetti. In modo analogo, la proboscide della zanzara diventa un componente fluido-meccanico che sostituisce ugelli complessi realizzati in metallo o vetro, con il vantaggio di una geometria già ottimizzata dall’evoluzione per il trasporto di fluidi in canali estremamente sottili.
Possibili applicazioni: bioprinting, microfluidica e dispositivi medici
L’ugello di zanzara in ambiente DIW apre scenari interessanti per il bioprinting di strutture ad alta densità cellulare, dove l’equilibrio tra risoluzione e vitalità delle cellule è critico. Linee da 20 µm permettono di definire micro-canali, trabecole o pattern di matrice extracellulare difficili da ottenere con ugelli convenzionali a costi comparabili. Allo stesso tempo, la tecnologia potrebbe trovare spazio in microfluidica, lab-on-chip, deposizione di rivestimenti funzionali, stampa di adesivi dentali o materiali per lenti a contatto, ovunque serva un’erogazione controllata di fluidi complessi su scala micrometrica con un’attenzione particolare alla riduzione dei rifiuti di laboratorio.
Oltre la zanzara: altri candidati biologici per ugelli microscopici
Nel loro lavoro, gli autori indicano l’intenzione di esplorare anche altre strutture naturali: pungiglioni di insetti predatori, proboscidi di mosche tse-tse, apparati boccali di afidi o microcanali vascolari in tessuti vegetali. L’idea è creare un “catalogo” di componenti biologici riutilizzabili come ugelli o microcanali, ciascuno con caratteristiche di diametro, rigidezza e chimica superficiale differenti, da abbinare agli inchiostri più adatti. In prospettiva, questo approccio potrebbe affiancarsi alle tecniche di microfabbricazione convenzionale, fornendo alternative a basso costo per prototipi, dispositivi usa e getta o applicazioni che traggono vantaggio dalla biodegradabilità del componente.
