Stampa di oggetti che possono incorporare organismi viventi
Un metodo per la stampa di oggetti 3D in grado di controllare gli organismi viventi in modo prevedibile è stato sviluppato da un team interdisciplinare di ricercatori presso il MIT e altrove. La tecnica può portare alla stampa 3D di strumenti biomedici, come apparecchi personalizzati, che incorporano cellule viventi per produrre composti terapeutici come antidolorifici o trattamenti topici, affermano i ricercatori.
Il nuovo sviluppo è stato guidato dal professore associato del MIT Media Lab Neri Oxman e dagli studenti laureati Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader e Sunanda Sharma, insieme ad altri sei al MIT e al Wyss Institute della Harvard University e al Dana-Farber Cancer Institute. Il sistema è descritto in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials .
“Li chiamiamo materiali viventi ibridi, o HLM”, afferma Smith. Per i loro esperimenti iniziali di prova di concetto, il team ha incorporato con precisione vari prodotti chimici nel processo di stampa 3D. Queste sostanze chimiche fungono da segnali per attivare determinate risposte nei microbi biologicamente ingegnerizzati, che sono verniciati a spruzzo sull’oggetto stampato . Una volta aggiunti, i microbi mostrano specifici colori o fluorescenza in risposta ai segnali chimici.
Nel loro studio, il team descrive l’aspetto di questi motivi colorati in una varietà di oggetti stampati, che a loro volta dimostra la riuscita integrazione delle cellule viventi nella superficie del materiale stampato in 3D e l’attivazione delle cellule in risposta ai prodotti chimici posizionati selettivamente.
L’obiettivo è creare un robusto strumento di progettazione per la produzione di oggetti e dispositivi che incorporino elementi biologici viventi, realizzato in modo prevedibile e scalabile come altri processi di produzione industriale.
Il team utilizza un processo a più fasi per produrre i propri materiali ibridi viventi. Innanzitutto, utilizzano una stampante 3D multimateriale basata su getto d’inchiostro disponibile in commercio e ricette personalizzate per le combinazioni di resine e segnali chimici utilizzati per la stampa. Ad esempio, hanno scoperto che un tipo di resina, normalmente utilizzato solo per produrre un supporto temporaneo per parti sporgenti di una struttura stampata e poi sciolto dopo la stampa, potrebbe produrre risultati utili mescolandosi con il materiale di resina strutturale. Le parti della struttura che incorporano questo materiale di supporto diventano assorbenti e sono in grado di trattenere i segnali chimici che controllano il comportamento degli organismi viventi.
Infine, viene aggiunto lo strato vivente: un rivestimento superficiale di idrogel, un materiale gelatinoso composto principalmente da acqua ma che fornisce una struttura reticolare stabile e duratura, viene infuso con batteri ingegnerizzati biologicamente e rivestito con spray sull’oggetto.
“Siamo in grado di definire forme e distribuzioni molto specifiche dei materiali ibridi viventi e dei prodotti biosintesi, siano essi colori o agenti terapeutici, all’interno delle forme stampate”, afferma Smith. Alcune di queste forme iniziali di test sono state realizzate come dischi delle dimensioni di un dollaro d’argento, e altre sotto forma di maschere colorate, con i colori forniti dai batteri viventi all’interno della loro struttura. I colori impiegano diverse ore a svilupparsi man mano che i batteri crescono e quindi rimangono stabili una volta che sono in posizione.
“Esistono interessanti applicazioni pratiche con questo approccio, poiché i progettisti sono ora in grado di controllare e modellare la crescita dei sistemi viventi attraverso un algoritmo computazionale”, afferma Oxman. “Combinando progettazione computazionale, produzione additiva e biologia sintetica , la piattaforma HLM punta sull’impatto di vasta portata che queste tecnologie possono avere su campi apparentemente disparati,” ravvivando “il design e lo spazio degli oggetti.”
La piattaforma di stampa utilizzata dal team consente di variare le proprietà del materiale dell’oggetto stampato in modo preciso e continuo tra le diverse parti della struttura, con alcune sezioni più rigide e altre più flessibili, altre più assorbenti e altre repellenti ai liquidi. Tali variazioni potrebbero essere utili nella progettazione di dispositivi biomedici in grado di fornire forza e supporto pur essendo morbidi e flessibili per offrire comfort nei luoghi in cui sono a contatto con il corpo.
Il team ha incluso specialisti in biologia, bioingegneria e informatica per elaborare un sistema che produca modelli prevedibili del comportamento biologico attraverso l’oggetto stampato, nonostante gli effetti di fattori come la diffusione di sostanze chimiche attraverso il materiale. Attraverso la modellizzazione al computer di questi effetti, i ricercatori hanno prodotto software che secondo loro offrono livelli di precisione comparabili ai sistemi di progettazione assistita da computer (CAD) utilizzati per i tradizionali sistemi di stampa 3D.
La piattaforma di stampa 3D multiresin può utilizzare ovunque da tre a sette resine diverse con proprietà diverse, miscelate in qualsiasi proporzione. In combinazione con l’ingegneria biologica sintetica, ciò consente di progettare oggetti con superfici biologiche che possono essere programmati per rispondere in modi specifici a stimoli particolari come luce o temperatura o segnali chimici, in modi riproducibili ma completamente personalizzabili, e che possono essere prodotto su richiesta, dicono i ricercatori.
“In futuro, i pigmenti inclusi nelle maschere possono essere sostituiti con utili sostanze chimiche per l’aumento umano come vitamine, anticorpi o farmaci antimicrobici”, afferma Oxman. “Immagina, ad esempio, un’interfaccia indossabile progettata per guidare la formazione di antibiotici ad hoc personalizzata per adattarsi alla composizione genetica del suo utente. Oppure, prendere in considerazione un packaging intelligente in grado di rilevare la contaminazione o pelli architettoniche ecocompatibili in grado di rispondere e adattarsi, in realtà -time — a segnali ambientali “.
Nei loro test, il team ha utilizzato batteri E. coli geneticamente modificati, perché questi crescono rapidamente e sono ampiamente utilizzati e studiati, ma in linea di principio potrebbero essere utilizzati anche altri organismi, affermano i ricercatori.
