Impianti personalizzati su richiesta? Bende per il cuore? Un nuovo metodo di stampa 3D lo rende possibile
Università del Colorado a Boulder
Nel tentativo di sviluppare materiali che imitino i tessuti umani per sostituire e riparare parti del corpo, gli scienziati si trovano ad affrontare una sfida significativa: i tessuti reali sono spesso sia forti che elastici e variano notevolmente in forma e dimensioni.
Un team guidato dall’Università del Colorado a Boulder, in collaborazione con ricercatori dell’Università della Pennsylvania, ha fatto un passo fondamentale verso la soluzione di questo problema. Hanno sviluppato un nuovo metodo per stampare in 3D un materiale che è allo stesso tempo abbastanza elastico da resistere ai continui battiti del cuore, abbastanza robusto da sopportare il carico schiacciante delle articolazioni, e facilmente modellabile per adattarsi ai difetti unici di un paziente.
Ancora meglio, questo materiale si attacca facilmente ai tessuti umidi.
Questa innovazione, descritta nell’edizione del 2 agosto della rivista Science, apre la strada a una nuova generazione di biomateriali, da bende interne che rilasciano farmaci direttamente al cuore a patch per la cartilagine e suture senza ago.
Ispirazione dai “blob” di vermi
Storicamente, i dispositivi biomedici sono stati creati tramite stampaggio o fusione, tecniche che funzionano bene per la produzione di massa di impianti identici ma non sono pratiche quando si tratta di personalizzare questi impianti per specifici pazienti. Negli ultimi anni, la stampa 3D ha aperto nuove possibilità per le applicazioni mediche, permettendo ai ricercatori di creare materiali in molte forme e strutture diverse.
A differenza delle stampanti tradizionali, che depositano inchiostro su carta, le stampanti 3D depositano strato dopo strato di plastiche, metalli o persino cellule viventi per creare oggetti multidimensionali.
Uno specifico materiale, noto come idrogel (lo stesso materiale utilizzato per le lenti a contatto), è stato un candidato favorito per la fabbricazione di tessuti, organi e impianti artificiali.
Tuttavia, portare questi materiali dal laboratorio alla clinica si è rivelato difficile perché gli idrogel stampati in 3D tendono a rompersi quando vengono allungati, a fratturarsi sotto pressione o a essere troppo rigidi per modellarsi intorno ai tessuti.
“Immagina se avessi un plastico rigido aderito al tuo cuore. Non si deformerebbe mentre il tuo cuore batte,” ha spiegato Burdick. “Si fratturerebbe.”
Per ottenere sia la forza che l’elasticità negli idrogel stampati in 3D, Burdick e i suoi colleghi si sono ispirati ai vermi, che si intrecciano e si districano ripetutamente tra loro in “blob” tridimensionali che hanno proprietà sia solide che liquide. Ricerche precedenti hanno dimostrato che incorporare catene di molecole simili, note come “intrecciamenti,” può renderle più resistenti.
Il loro nuovo metodo di stampa, noto come CLEAR (Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation), segue una serie di passaggi per intrecciare lunghe molecole all’interno dei materiali stampati in 3D, in modo simile ai vermi intrecciati.
Quando il team ha sottoposto questi materiali a prove di allungamento e carico nel laboratorio (una ricercatrice ha persino passato un campione con la sua bicicletta), ha scoperto che erano esponenzialmente più resistenti rispetto ai materiali stampati con un metodo standard di stampa 3D noto come Digital Light Processing (DLP). Ancora meglio: si adattavano e aderivano ai tessuti e agli organi animali.
“Adesso possiamo stampare in 3D materiali adesivi che sono abbastanza forti da supportare meccanicamente il tessuto,” ha dichiarato Matt Davidson, co-primo autore e ricercatore nel laboratorio di Burdick. “Non siamo mai stati in grado di farlo prima.”
Rivoluzionare la cura
Burdick immagina un futuro in cui tali materiali stampati in 3D potrebbero essere utilizzati per riparare difetti nel cuore, somministrare farmaci rigenerativi direttamente agli organi o alla cartilagine, contenere dischi spinali protrusi o persino suturare le persone in sala operatoria senza causare danni ai tessuti come possono fare ago e filo.
Il suo laboratorio ha presentato una richiesta di brevetto provvisorio e prevede di avviare presto ulteriori studi per comprendere meglio come i tessuti reagiscono alla presenza di tali materiali.
Tuttavia, il team sottolinea che il loro nuovo metodo potrebbe avere impatti ben oltre la medicina, anche nella ricerca e nella produzione. Ad esempio, il loro metodo elimina la necessità di energia aggiuntiva per indurire le parti, rendendo il processo di stampa 3D più rispettoso dell’ambiente.
“Questo è un semplice metodo di lavorazione 3D che le persone potrebbero alla fine utilizzare nei propri laboratori accademici così come nell’industria per migliorare le proprietà meccaniche dei materiali per una vasta gamma di applicazioni,” ha dichiarato Abhishek Dhand, primo autore e ricercatore nel laboratorio di Burdick e dottorando nel Dipartimento di Bioingegneria dell’Università della Pennsylvania. “Risolviamo un grande problema per la stampa 3D.”
Rivista Science
DOI 10.1126/science.adn6925
Metodo di Ricerca Studio sperimentale
Soggetto della Ricerca Campioni di tessuti prodotti in laboratorio
Titolo dell’Articolo Additive manufacturing of highly entangled polymer networks
