Tecnica di biofabbricazione del MIT per tessuti muscolari artificiali multi-direzionali e stampa 3D di un occhio
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno sviluppato un nuovo metodo per coltivare tessuti muscolari artificiali che si contraggono in più direzioni, emulando in modo più preciso il movimento dei muscoli naturali. Pubblicato su Biomaterials Science, questo approccio introduce una tecnica di stampa microtopografica che controlla con precisione la formazione e l’allineamento delle fibre muscolari. Con applicazioni potenziali nella robotica bioibrida, nella medicina rigenerativa e nella ricerca sulle malattie muscolari, questa scoperta potrebbe contribuire a colmare il divario tra i tessuti ingegnerizzati e quelli biologici.
Il processo STAMP per la crescita muscolare
Al centro di questa ricerca c’è il processo chiamato Simple Templating of Actuators via Micro-topographical Patterning (STAMP), progettato per modellare la crescita muscolare con precisione microscopica. Invece di affidarsi ai tradizionali metodi complessi di fabbricazione, il team ha optato per un approccio sorprendentemente semplice, utilizzando uno stampo stampato in 3D per creare scanalature strutturate in un idrogel morbido. Queste scanalature guidano la crescita delle cellule muscolari, garantendo che si allineino in fibre funzionali capaci di contrarsi in più direzioni.
Un’iride artificiale con contrazioni muscolari controllate
Per testare il metodo, i ricercatori hanno creato un’iride artificiale, un attuatore bioibrido progettato per replicare il modo in cui la pupilla dell’occhio umano si espande e si contrae. La struttura presentava due diverse disposizioni delle fibre muscolari: una a cerchi concentrici e l’altra radiante verso l’esterno. Entrambe lavoravano insieme per produrre contrazioni controllate in risposta alla stimolazione luminosa, mostrando un livello di coordinazione raramente visto nei tessuti muscolari ingegnerizzati.
Le fibre muscolari naturali non crescono mai in linee perfettamente dritte; nel corpo, le loro orientazioni variano, permettendo una vasta gamma di movimenti. Le progettazioni muscolari artificiali, tuttavia, sono state tradizionalmente limitate a contrarsi in una sola direzione. Questa limitazione ha reso difficile lo sviluppo di attuatori bioibridi capaci di movimenti complessi a più assi. Con STAMP, la crescita muscolare può ora essere direzionata in modelli più intricati, avvicinando il tessuto artificiale alla funzionalità del tessuto biologico.
Un approccio accessibile alla biofabbricazione
Un fattore chiave nello sviluppo di questo processo di stampa è stato la sua accessibilità. Utilizzando una stampa 3D ad alta risoluzione, il team ha creato stampi con scanalature microscopiche che corrispondono alle dimensioni delle singole cellule muscolari. Un rivestimento proteico sullo stampo ha garantito un’impronta pulita sull’idrogel senza danneggiare il materiale. Una volta pressato, lo stampo ha creato una mappa precisa che le fibre muscolari hanno seguito, dando vita a una rete strutturata di tessuti che ha mantenuto la sua funzione nel tempo.
Simulazioni e validazione sperimentale
La modellazione computazionale ha avuto un ruolo cruciale nella validazione della tecnica. Le simulazioni hanno previsto che le fibre muscolari cresciute con il metodo STAMP si sarebbero contratte in modo coordinato e multi-direzionale, una previsione che è stata confermata attraverso test sperimentali. L’iride artificiale ha funzionato come previsto, mostrando la capacità di controllare la contrazione della pupilla in modo molto simile alla funzione naturale. Sebbene lo studio si sia concentrato sui muscoli scheletrici, il metodo non è limitato a un solo tipo di cellula. I ricercatori ritengono che potrebbe essere adattato per neuroni, cellule muscolari cardiache e altri tessuti per creare materiali bioingegnerizzati con una struttura precisa.
Potenziale oltre la medicina
Guardando al futuro, il team vede applicazioni oltre il campo medico. Gli attuatori muscolari potrebbero fornire alternative a basso consumo energetico ai componenti rigidi nei robot morbidi, particolarmente in ambienti dove la flessibilità è cruciale. La capacità di creare movimenti con più gradi di libertà potrebbe rendere i robot bioibridi più adattabili e dinamici.
Progetti internazionali nella fabbricazione muscolare
Al di fuori del MIT, i ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato un attuatore morbido e flessibile che consente ai robot di emulare il movimento muscolare umano attraverso l’espansione e la contrazione. Il dispositivo è stato testato su un robot morbido a forma di verme e su un bicipite artificiale, che ha sollevato con successo 500 grammi per 5.000 volte senza guasti.
In Italia, l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) ha creato una mano robotica che utilizzava muscoli artificiali stampati in SLA 3D per afferrare oggetti con efficienza simile a quella umana. Questa mano, alimentata da attuatori basati su GeometRy (GRACEs), ha dimostrato la forza e la flessibilità dei muscoli artificiali, sollevando 8 kg con un attuatore di soli 8 grammi. Questi risultati confermano che i muscoli artificiali funzionali possono essere stampati in 3D in un unico passaggio, semplificando la fabbricazione di sistemi robotici morbidi.
