Introduzione: stampa 3D di cartilagine auricolare all’ETH Zürich
Un team dell’ETH Zürich ha sviluppato una tecnica di bioprinting 3D per creare tessuto di cartilagine auricolare a partire da cellule, mantenendo forma e volume in un modello animale per un periodo prolungato. L’obiettivo è fornire una soluzione più precisa e prevedibile per la ricostruzione dell’orecchio esterno, ad esempio nei pazienti con microtia o dopo traumi, superando i limiti di innesti di cartilagine costale o di protesi sintetiche.
Contesto clinico: i limiti delle soluzioni attuali
La ricostruzione dell’orecchio oggi si basa spesso su due strade principali:
- prelievo di costole del paziente per scolpire un’impalcatura cartilaginea, con interventi lunghi, dolorosi e dall’esito estetico variabile;
- impianto di strutture sintetiche in materiali come il polietilene poroso, che riducono il trauma chirurgico ma introducono rischi di infezione, estrusione e aspetto meno naturale.
Le tecniche di bioprinting 3D puntano a creare forme anatomiche su misura a partire da dati di imaging, offrendo un potenziale miglior allineamento estetico e funzionale. Tuttavia, fino a oggi uno dei problemi chiave era mantenere la forma e il volume dell’impianto nel tempo, una volta impiantato e colonizzato dalle cellule.
Strategia dell’ETH: scaffold e cellule per una forma stabile
Il gruppo di ricerca dell’ETH Zürich ha adottato un approccio combinato che integra:
- una struttura stampata in 3D che funge da “stampo” e supporto meccanico,
- un bioink carico di cellule di cartilagine (condrociti) e/o cellule stromali,
- una fase di maturazione del tessuto prima e dopo l’impianto in modello animale.
L’impalcatura stampata in 3D viene progettata per riprodurre la geometria complessa dell’orecchio umano, comprese le curvature e le depressioni caratteristiche del padiglione auricolare. All’interno di questa struttura viene depositato il bioink, che combina idrogel con cellule in grado di produrre matrice cartilaginea.
Sviluppo del bioink e scelta delle cellule
Per creare cartilagine stabile, il team ha lavorato su un bioink che bilancia tre aspetti chiave:
- capacità di stampa (viscosità, crosslinking, stabilità dimensionale subito dopo l’estrusione),
- biocompatibilità e vitalità cellulare,
- capacità di maturare in tessuto cartilagineo con adeguate proprietà meccaniche.
Le cellule utilizzate includono condrociti e, in alcune configurazioni, cellule stromali mesenchimali che possono contribuire alla produzione di matrice extracellulare. Il bioink viene formulato in modo da sostenere la sintesi di collagene di tipo II e proteoglicani, tipici della cartilagine ialina, senza collassare o deformarsi durante la fase di maturazione.
Progettazione dell’impalcatura stampata in 3D
L’impalcatura viene realizzata con una tecnologia di stampa 3D che consente alta risoluzione geometrica e un controllo accurato della porosità, in modo da:
- guidare la forma dell’orecchio,
- permettere la diffusione di nutrienti e l’invasione cellulare,
- resistere alle forze meccaniche dopo l’impianto.
La geometria può essere personalizzata in base all’anatomia del paziente, utilizzando modelli 3D derivati da scansioni. L’interazione tra scaffold e bioink è cruciale per evitare il fenomeno del “collasso” volumetrico, cioè la perdita di spessore e definizione della forma auricolare durante il rimodellamento del tessuto.
Test in modello animale: mantenimento di forma e volume
L’impianto di queste strutture in modello animale ha permesso di valutare:
- la sopravvivenza delle cellule,
- la maturazione della cartilagine,
- il mantenimento della forma nel tempo.
Le osservazioni riportano che la struttura dell’orecchio resta riconoscibile e stabile, con deformazioni limitate rispetto alla forma originaria stampata. Analisi istologiche mostrano deposito di matrice cartilaginea e integrazione del tessuto con l’ambiente circostante, indicando un potenziale uso per ricostruzioni a lungo termine.
Confronto con altri approcci di bioprinting cartilagineo
Rispetto ad approcci che impiegano solo idrogel senza scaffold rigidi, la soluzione dell’ETH Zürich mostra maggiore controllo della forma a medio termine, grazie al supporto meccanico strutturale. Altri lavori su cartilagine, come ginocchio o mandibola, hanno evidenziato problemi di deformazione o riassorbimento dell’impianto quando la componente di supporto era troppo debole o riassorbibile in modo non controllato.
Il lavoro dell’ETH si inserisce in una linea di ricerca che comprende anche bioprinting in microgravità e studi su scaffold complessi per rigenerazione di tessuti articolari, sfruttando le competenze accumulate nel campo dei bioink a base di idrogel e delle tecnologie di fabricazione additiva di precisione.
Prospettive verso l’applicazione clinica
Prima di arrivare all’uso sull’uomo restano diversi passaggi:
- studi su animali più grandi per validare comportamento meccanico, biocompatibilità e stabilità a lungo termine;
- ottimizzazione della degradazione o permanenza dello scaffold in relazione alla crescita del tessuto cartilagineo;
- valutazione della risposta immunitaria e del rischio di infezione;
- iter regolatorio per impianti personalizzati combinati (dispositivo + cellule).
La possibilità di ricostruire padiglioni auricolari personalizzati, sfruttando cellule del paziente e modelli 3D precisi, potrebbe ridurre l’onere chirurgico, migliorare il risultato estetico e diminuire il numero di interventi richiesti nel corso della vita.
