Futuro dell’assistenza sanitaria dalla lente dell’apprendimento profondo e degli organoidi stampati in 3D
La stampa 3D di organoidi è diventata rapidamente uno dei segmenti principali del settore della stampa 3D in termini di innovazione. Fino a poco tempo fa, il mercato si concentrava principalmente sul Nord America, ma anche molte aziende, laboratori e università in tutto il mondo stanno esplorando questo campo. Grazie alle tecniche di stampa 3D , cellule e biomateriali possono essere combinati e depositati strato per strato per creare sviluppi biomedici che hanno le stesse proprietà dei tessuti viventi.
Durante questo processo, vari bio-link possono essere utilizzati per creare queste strutture simili a tessuti, che hanno applicazioni nei campi dell’ingegneria medica e dei tessuti . Naturalmente, è più che sapere che l’obiettivo di tutti questi sviluppi è quello di bioprinting con successo un organo umano completamente funzionale.
Gli inizi del bioprinting
Il primo sviluppo del bioprinting risale al 1988 quando il dottor Robert J. Klebe, dell’Università del Texas, presentò il suo processo Cytoscribing , un metodo di micro-posizionamento delle cellule per creare tessuti sintetici in 2 o 3D utilizzando una stampante a getto d’inchiostro. classico. Come risultato di questa ricerca, il professor Anthony Atala della Wake Forest University ha creato il primo organo nel 2002 grazie al bioprinting, un rene su piccola scala.
Nel 2010 è nato il primo laboratorio specializzato nella stampa 3D: Organovo, che ha iniziato rapidamente a lavorare con gli sviluppatori di Invetech per creare una delle prime bioprinter sul mercato, la NovoGen MMX . Organovo si è posizionata come uno dei leader nel settore e continua a lavorare sullo sviluppo del tessuto osseo dopo aver innestato con successo tessuto epatico.
Tipi di stampa 3D
Bioprinting a getto d’inchiostro
Questa tecnologia si basa sul comune processo di stampa a getto d’inchiostro. Attualmente, le stampanti 3D con tecnologia FDM vengono modificate per ottenere lo stesso processo da una prospettiva biologica. Consiste in un processo in cui strati di biotinks (chiamati anche biomateriali) vengono depositati su un substrato di idrogel o su piastre di coltura. Questa tecnologia può essere classificata in due metodi principali: termico e piezoelettrico.
La tecnologia termica utilizza un sistema di riscaldamento che crea bolle d’aria, collassa e fornisce pressione per espellere le goccioline di biotina. Al contrario, la tecnologia piezoelettrica, non utilizza il calore per creare la pressione necessaria, utilizza la carica elettrica che si accumula in un materiale solido, in questo caso, una ceramica piezoelettrica policristallina che si trova in ogni ugello di stampa. Tuttavia, questa ultima tecnologia può causare danni alla membrana cellulare se usata troppo frequentemente.
Bioprinting per estrusione
Si basa sull’estrusione di biomateriali per creare modelli 3D e costruzioni cellulari. I biotink utilizzati per la stampa sono solitamente soluzioni estruse coordinando il movimento di un pistone a pressione o di un microago su un substrato fisso. Dopo l’applicazione strato per strato, i modelli 3D sono completati e avremo una costruzione. I vantaggi di questa tecnologia includono l’elaborazione a temperatura ambiente, l’incorporazione diretta delle celle e la distribuzione omogenea delle celle. Alcune delle bioprinter più popolari sul mercato utilizzano questa tecnica, considerata un’evoluzione del getto d’inchiostro, come il bioplotter di EnvisionTec o il bioprinter 3D di Allevi .
Bioprinting 3D assistito da laser
Utilizza un laser come fonte di energia per depositare biomateriali in un recettore (sostanza). La tecnica si compone di tre parti: una sorgente laser, un nastro rivestito con materiali biologici che vengono depositati su una pellicola e un ricevitore. I raggi laser irradiano il nastro, facendo evaporare i materiali biologici liquidi e raggiungere il recettore in goccioline, che contengono un biopolimero che mantiene l’adesione cellulare e aiuta le cellule a iniziare a crescere. Rispetto ad altre tecnologie, la bioprinting laser-assistita presenta vantaggi unici, tra cui un processo senza ugelli e senza contatto, stampa cellulare ad alta risoluzione e ad alta attività, controllo delle goccioline di inchiostro biologico e caratteristiche di stampa precise.
stereolitografia
La tecnologia SLA consiste nella solidificazione di un fotopolimero attraverso l’illuminazione e ha la massima precisione delle tecnologie di produzione additiva. Questo può essere applicato in bioprinting stampando con idrogel fotosensibili. Questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo, poiché oltre ai suoi vantaggi, sono legati a numerosi vincoli, come la mancanza di polimeri biocompatibili e biodegradabili, gli effetti nocivi e l’impossibilità di eliminare la struttura di supporto.
Bioprinting delle onde acustiche
Questo metodo è stato sviluppato dalla Carnegie Mellon University, dalla Pennsylvania State University e dal MIT , utilizza qualcosa chiamato pinzette acustiche, un dispositivo microfluidico in cui è possibile manipolare singole cellule o particelle e l’uso di onde acustiche di superficie. Le onde si sarebbero incontrate lungo ciascuno dei tre assi. In questi punti di incontro, le onde formeranno un nodo di cattura tridimensionale. Vengono raccolte singole celle o set completi di celle in modo da poter creare modelli 2D e 3D successivi. Questa tecnica offre prestazioni in termini di movimenti precisi in modo non invasivo.
La tecnica SWIFT
I ricercatori del Wyss Institute for Biological Engineering di Harvard hanno sviluppato una nuova tecnica di bioprinting chiamata SWIFT (Sacrificial Writing Into Functional Tissue), poiché il suo nome suggerisce che questa tecnica consente la bioprinting dei vasi sanguigni nei tessuti viventi. In altre parole, stampa in 3D canali vascolari in array viventi composti da elementi costitutivi di organi (OBB) derivati da cellule staminali.
Qual è il futuro della stampa 3D?
Il futuro del 3D risiede nel regno del deep learning e del quantum computing . L’uso di potenti algoritmi di apprendimento profondo per il recupero delle informazioni e la creazione di un progetto organoide garantirà una piattaforma end-to-end con un avanzamento accelerato e senza precedenti della fabbricazione dei tessuti, rassicurando l’adattabilità e la compatibilità tra organo e ospite. Sarebbero coinvolti i seguenti elementi:
1 Tecniche di prototipazione rapida: collagene e gelatina
2 CNN: Convolutional Neural Networks
3 Algoritmo evolutivo : utilizzato per la pianificazione di modelli basati su processi cellulari noti anche come simulazione
4 Algoritmo genetico : per l’assemblaggio di sequenze di DNA / RNA e ulteriore sviluppo di mutazione e adattabilità all’ospite.
5 Cellule staminali pluripotenti
E come sarà d’aiuto il quantum computing?
1 Potrà Esaminare quantità estremamente grandi di dati da file medici in 1/20 del tempo che farebbe un normale algoritmo ML
2 Per la Creazione di modelli più accurati e correlazione cellulare
3 Lavorerà su più parametri contemporaneamente come mutazione, adattabilità, rigenerazione, ecc
4 Unirà il potere analitico delle reti neurali con la velocità del Quantum.
