Medicina e Stampa 3D: tra presente e futuro

Le stampanti a tre dimensioni sono lo strumento del futuro dell’industria. Le nuove frontiere riguardano la possibilità di stampare con la tecnologia 3D cuore, fegato, reni, polmoni ma anche pelle e ossa. Abbiamo provato ad addentrarci nel mondo della biostampa, della stampa di strutture biologiche come organi e tessuti, parlando con Carmelo De Maria, ricercatore del Centro di ricerca di bioingegneria e robotica “E. Piaggio” dell’università di Pisa.
Salvatore Marazzita, 07 Febbraio 2017
Micron
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Filosofia della Scienza

Le stampanti a tre dimensioni sono da alcuni osservatori viste e interpretate come lo strumento del futuro dell’industria, come sottolinea l’Economist porteranno un giorno a una “terza rivoluzione industriale”.
Un tempo i prodotti venivano realizzati mettendo insieme un sacco di parti, saldate e avvitate tra loro. Grazie alle stampanti tridimensionali, un prodotto ora può essere progettato su un computer e dopo pochissimo tempo essere stampato in 3D, con un sistema che crea un oggetto solido attraverso la sovrapposizione di diversi strati di materiale uno sull’altro.
Il processo può essere portato avanti in maniera del tutto automatica, senza che vi sia un operatore a tenere d’occhio la stampante e le tecnologie di stampa permettono di realizzare prodotti anche molto elaborati, che non potevano essere costruiti con i tradizionali sistemi di produzione.
Secondo l’IDC la stampa 3D si espanderà a livello globale con un tasso di crescita annuo composto del 27%. Ciò significa che l’industria, che nel 2015 valeva quasi 11 miliardi di dollari, raggiungerà i 26,7 miliardi di dollari entro il 2019.
Un’espansione che non ha lasciato indifferente il mondo della ricerca biomedica che guarda con attenzione a questa rivoluzione: cuore, reni, fegato ma anche pelle, valvole, ossa, occhi e chissà, magari anche nervi sono gli organi che potranno essere stampati con le moderne tecnologie in 3D e usati, in un futuro prossimo, per colmare la carenza di organi per i trapianti.
Abbiamo provato ad addentrarci nel complicato quanto affascinante mondo della biostampa, della stampa di strutture biologiche come organi e tessuti, parlando con Carmelo De Maria, giovane ricercatore del Centro di ricerca di bioingegneria e robotica “E. Piaggio” dell’università di Pisa.
Il team di De Maria, coordinato da Giovanni Vozzi, si concentra in particolare su due settori: l’applicazione delle stampanti 3D all’ingegneria biomedica e le attività di sostegno per la progettazione di strumenti elettromedicali utilizzando tecnologie open source.
Per ciò che riguarda la stampa di tessuti, spiega De Maria, si ha la possibilità di utilizzare materiale biologico, o anche artificiale, per la fabbricazione di organi in vitro, che possono trovare impiego nel testing farmacologico, ad esempio. In un futuro non troppo lontano, si ipotizza intorno al 2025, gli organi stampati potrebbero anche essere trapiantati nell’uomo.
Si è già riusciti a creare una mini-vescica e altri tessuti. Uno degli ostacoli in questo caso è quello di rendere il “prodotto” stampato sicuro per la salute del paziente, ambito ancora nuovo perché si tratta non solo di trovare componenti di stampa adatti ma anche di poterli assemblare in modo opportuno.
È qui che le stampanti 3D giocano un ruolo fondamentale, essendo in grado di fornire estrema riproducibilità e precisione nel posizionamento, consentono di costruire organi in 3D con componenti diverse perché noi, come essere umani, siamo diversi rispetto alle piastre di coltura che vengono già impiegate nei test farmacologici.
Le applicazioni per questa tecnologia in via di sviluppo sono tante e diversificate.
Il vantaggio maggiore sarebbe di poter creare mini-organi a partire dalle cellule del paziente, il che significherebbe pensare a una medicina nuova, del tutto personalizzata. Si potrebbero evitare così problemi di rigetto nel caso di trapianto e soprattutto creare il farmaco a partire dal paziente e specifico per quel paziente.
Ognuno ha una propria suscettibilità, una propria soglia di reazione a un farmaco poiché ciascuno è unico. Se si riuscisse a creare un mini organo in vitro, un mini fegato o un mini polmone, ossa, muscoli eccetera, questi risponderebbero esattamente come le cellule del corpo, quindi si potrebbe testare il farmaco come lo si testerebbe sul paziente direttamente interessato.
Il percorso è ancora lungo anche perché le cellule hanno bisogno di molto tempo per crescere in vitro, non nove mesi, come in natura, ma neanche 24 ore. “Cerchiamo di capire quale possa essere l’inchiostro per questo particolare tipo di stampa e in questo senso – spiega De Maria – si deve partire dal presupposto che non esiste materiale sintetico a oggi che possa replicare al cento per cento il materiale biologico. Questo perché gli amminoacidi che costituiscono il nostro corpo sono dei “mattoni” che hanno una varietà straordinaria di combinazioni, che è difficile riprodurre.
L’ideale è estrarre da piante o da animali queste molecole.
La cheratina che costituisce le nostre unghie ma anche l’epidermide può essere impiegata per la biostampa, quindi perché non estrarla da dove se ne trova in abbondanza in natura? Ecco l’idea delle piume degli animali, in particolare del pollame. In questo modo si riesce a ottenere un’ottima qualità di materiali per la stampa.
Le proteine hanno i cosiddetti siti di adesione in cui le cellule si adagiano perfettamente. Estraendo la cheratina dalle piume di pollo si ha un’ottima bio-compatibilità e in più si utilizza uno scarto dell’industria alimentare”.
Il panorama scientifico della bio-fabbricazione è in grande fermento e molti sono i laboratori che si stanno specializzando in questo campo. “Nel nostro paese siamo ancora pochi a occuparci di questo settore ma le collaborazioni sono costanti anche per necessità”. Proprio sull’importanza dell’open science in questo tipo di ricerca, De Maria ci parla di alcuni progetti di respiro internazionale ai quali sta partecipando con il team guidato da Arti Ahluwalia.
C’è un’agenzia per lo sviluppo economico in Africa, UNECA, che ha sponsorizzato delle summer schools in vari paesi per la formazione di ingegneri biomedici e ha aiutato le università partecipanti a preparare i corsi di laurea in Ingegneria Biomedica. Questo perché, spiega De Maria, ci vede la soluzione di due problemi in un’unica occasione: il problema strettamente economico, in quanto si parla di ricerca con alto valore aggiunto e la soluzione di un problema legato al sistema sanitario. “Se formi ingegneri biomedici che sanno decidere cosa acquistare oltre che produrre e riparare macchinari, dai paesi stranieri, puoi offrire un servizio sanitario migliore”.
I paesi che hanno partecipato alle summer schools, non avendo ancora acquisito le competenze per partire da zero in questo nuovo campo di ricerca, hanno avvertito la necessità di continuare il percorso di formazione. È stata costituita l’associazione ABEC, African Biomedical Engineering Consortium, e ci sono state altre summer schools in Kenya, Tanzania, Etiopia.
I passi da compiere nella ricerca per la biofabbricazione sono ancora molti. È un settore fortemente in crescita in quanto le possibili tecnologie potrebbero trovare rilevanti applicazioni in campo medico-biologico con la possibilità di sviluppi ulteriori e di nuove scoperte sul funzionamento del corpo. La scienza medica potrebbe trarre enorme vantaggio da questa ricerca che, se ultimata, consentirebbe di sostituire molta della metodica applicata in cure farmacologiche e trapianti.

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