L’uso di tecnologie additive manufacturing[1] in ambito medicale, biomedicale e chirurgico trasforma in realtà soluzioni per la salute, il benessere e la cura, decisamente impensabili fino a poco tempo fa.
Stampa 3D medicale e biostampa 3D rappresentano il punto massimo di innovazione raggiunto ad oggi dalla stampa 3D.
Di cosa si tratta?
Sono sistemi che forniscono a chirurghi, ricercatori e biotecnologi l’opportunità di studiare soluzioni completamente personalizzate sul singolo paziente, per la cura di patologie rare o comuni anche attraverso il prezioso uso della medicina rigenerativa, supportata dalle moderne tecnologie di biostampa 3D, aiutano la produzione di strumentazione adeguata e l’esecuzione di diagnosi specifiche.
Bio3DModel e Bio3DPrinting sono parte integrante del gruppo SolidWorld, leader nello sviluppo e integrazione delle più moderne e complete tecnologie digitali 3D, in ambito software e hardware, all’interno delle aziende manifatturiere per supportare e accelerare la loro trasformazione verso la fabbrica 4.0.
Il gruppo opera attraverso 14 sedi e 3 poli tecnologici, conta oltre 150 dipendenti e più di 8mila imprese clienti e ad oggi raccoglie anche la preparazione e competenza di due preziose realtà in ambito medicale.
In questa intervista leggeremo le valutazioni di Aurora De Acutis (Bio3DPrinting) e Giovan Battista Semplici (Bio3DModel)
Dottoressa De Acutis ci spiega meglio?
«La stampa additiva in ambito medico chirurgico viene definita con il termine “3D bioprinting”. Con il termine “3D bioprinting” si fa riferimento a tutte quelle tecnologie derivate dalla stampa 3D convenzionale che al posto dei materiali tradizionali (e.g. polimeri termoplastici, resine) utilizzano cellule, biopolimeri sintetici e/o naturali, idrogel, materiale extracellulare e biomolecole.
Si tratta perciò della stampa 3D di costrutti cellulari progettati ad hoc per avere una propria “vita” e una propria “funzione”, e per essere quanto più simili possibile ai tessuti che costituiscono l’essere umano, per scopi e finalità in ricerca e in clinica di grande interesse.
La massima espressione del 3D bioprinting in ambito medico chirurgico è perciò la stampa 3D di veri e propri organi paziente-specifici, a partire da un modello 3D dell’organo ricavato da immagini di diagnostica medica (e.g. TAC, risonanza magnetica) e da materiale cellulare autologo, che potranno essere impiantati nel paziente in modo da porre la speranza di eliminare il grande problema di mancanza di organi per i trapianti e le conseguenti lunghe liste di attesa per i trapianti d’organo, oltre ad offrire una serie di indiscutibili vantaggi per il paziente stesso (assenza di fenomeni di rigetto).
Nonostante gli sviluppi del settore il gap tra la ricerca e sviluppo del dispositivo e la sua applicazione clinica che è attualmente molto difficile da colmare. Questo a causa dell’assenza di percorsi autorizzativi chiari che conducono alla regolamentazione etico/legislativa dei costrutti 3D cellulari stampati; limiti legati ai materiali ed alle tecnologie disponibili per il 3D bioprinting che, ad oggi, non consentono di ottenere costrutti cellulari 3D in grado di replicare la complessità ed l’organizzazione dei tessuti/organi umani (e.g. introduzione di una rete vascolare nei tessuti biostampati).
Un obiettivo attualmente raggiunto dal 3D bioprinting nel mondo della medicina è quello che vede protagonista la stampa 3D di porzioni di organo (una sorta di “mini organo”), in alternativa ai convenzionali sistema di coltura cellulare 2D, per lo studio in vitro di patologie delle quali ancora non si conosce la patogenesi o cura, per la messa appunto di nuovi farmaci, o per individuare la cura più efficace per il paziente per una data patologia, come ad esempio la selezione di una terapia chemioterapica mirata».
Lei, Ing. Semplici si è già espresso sulle pagine di Vita e Salute WEB , vuole riprendere il filo?
«Con molto piacere.
Nel mondo della diagnostica e chirurgia sta diventando sempre più interessante l’impiego dell’Additive Manufacturing sia come strumento di training che di planning chirurgico. Fino a poche tempo fa queste attività venivano svolte con l’impiego sia di cadaveri che di animali.
I moderni sistemi di Stampa 3D nel settore biomedicale consentono di realizzare modelli anatomici paziente-specifico partendo da TAC o RM, in grado quindi di replicare l’esatta patologia in esame, consentendo al dottorando di esercitarsi su vari casi ed al chirurgo di pianificare gli interventi con maggior efficacia».
Ingegner Semplici due parole in più sul sistema di biostampa e bioink con Bio3DPrinting?
«Electrospider, il sistema di biostampa offerto dalla Bio3DPrinting, è una piattaforma innovativa di 3D bioprinting multiscala e multimateriale che promette di compiere un passo in avanti nell’aggirare i limiti tecnologici ad oggi presenti in questo campo.
E’ la prima tecnologia di 3D bioprinting in grado di biostampare simultaneamente più biomateriali sia su micro che su nano scala in un unico processo di stampa per generare fisicamente costrutti cellulari 3D in grado di mimare l’architettura e l’eterogeneità fisiologica dei tessuti umani.
Electrospider è stata concepita per combinare in un’unica piattaforma di 3D bioprinting microestrusione pneumatica[2], elettrofilatura (convenzionale o per fusione) e tecnologia ink-jet al fine di superare i limiti delle convenzionali tecnologie di 3D bioprinting e produrre costrutti 3D cellulari multiscala e multimateriale aventi l’eterogeneità e la complessa topologia dei tessuti umani.
Con Electrospider è possibile stampare una vasta gamma di bioinchostri a base di idrogel, idrogel contenenti cellule (differenziate o staminali), fattori di crescita soluzioni polimeriche, polimeri termoplastici, sospensioni, paste, e siliconi. Electrospider è inoltre una piattaforma di 3D bioprinting concepita per essere modulare, ovvero totalmente personalizzabile con una molteplicità di funzionalità accessorie.
In particolare, con Electrospider è possibile utilizzare due approcci di biofabbricazione:
- Biostampa di un una “impalcatura” (oppure definita “scaffold” dagli esperti del settore) da utilizzare come fondamenta del tessuto/organo da biofabbricare, e successivo deposito su questa struttura di cellule assieme a numerose altre sostanze. Lo scaffold mima l’azione delle strutture delle matrici extracellulari che supportano l’adesione, la proliferazione e la differenziazione delle cellule.
- Biostampa contemporanea sia dell’impalcatura che di cellule assieme a numerose altre sostanze».
Dottoressa De Acutis quali sono le applicazioni principali di Electrospider in ambito medico-chirurgico?
«Una delle possibilità̀ offerte da Electrospider è quella di poter ricreare, a partire dalle cellule prelevate dal paziente, strutture biologiche simili a piccoli organi o tessuti, per ricreare in vitro un modello sperimentale di malattie di varia natura (e.g. oncologiche e neurodegenerative) così da poterne studiare la patogenesi e predirne l’approccio terapeutico più efficace aprendo la strada verso una terapia farmacologica personalizzata.
Guardando ad un futuro in cui la medicina potrà essere davvero personalizzata, Electrospider rappresenta la tecnologia che può cambiare radicalmente i paradigmi nella sperimentazione nei settori farmacologico e cosmetico in quanto con la Electrospider sarà possibile biostampare un frammento di tessuto che potrà essere impiegato per valutare effetti, rischi, qualità d’azione e altri parametri di un medicinale o di un cosmetico.
Questo approccio risulterà decisamente più “fisiologico” rispetto all’utilizzo dei convenzionali ambienti cellulari 2D (che non tengono conto della tridimensionalità del sistema coinvolto), più veloce e meno costoso rispetto agli abituali test in vivo.
Non solo, esso avrà̀ anche una migliore rilevanza biologica per gli esseri umani rispetto ai comuni test effettuati sugli animali e contribuirà a una significativa riduzione della sperimentazione farmacologica in vivo su cavie animali.
Ing. Semplici quali e quanti vantaggi ha portato in ambito medico-chirurgico l’utilizzo della tecnologia additiva?
«Come già accennato in precedenza i vantaggi si possono così riassumere:
- Disponibilità della reale patologia del paziente
- Possibilità da parte del chirurgo di valutare preventivamente più soluzioni al fine di trovare quella di intervento ottimale
- Riduzione drastica dell’impiego di cadaveri e animali
- Procedure eseguite su una normale scrivania anziché in un ambiente operatorio.
- Riduzione del tempo di intervento chirurgico essendo molto più chiara la situazione patologica.
- Riduzione del costo dell’intervento e dell’ospedalizzazione del paziente.
- Miglior comunicazione tra chirurgo e paziente
- Disponibilità da parte del chirurgo di un modello di backup pre-operatorio per eventuali contestazioni legali».
Dottoressa De Acutis inquadra una sorta di evoluzione nel rapporto tra stampa additiva, medici e strutture sanitarie/ospedali?
«Bio3dPrinting è startup nata dalla collaborazione tra SolidWorld GROUP e l’Università di Pisa ed è ufficialmente una spin-off (società co-fondata dai ricercatori, in questo caso universitari) dell’Università di Pisa basata sullo sviluppo e la valorizzazione dei risultati delle attività di ricerca svolte all’interno dell’istituzione madre.
Crediamo che la partnership tra ricerca, il modo delle università e quello imprenditoriale, come quella instaurata dalla Bio3dPritnig, sia in generale il motore dello sviluppo del paese e della innovazione. Creare un gruppo di lavoro che includa il know-how accademico e le capacità aziendali è infatti di fondamentale importanza per dare vita a idee innovative e creare occupazione, accrescere l’attrattività delle università, la competitività aziendale e la crescita economica e sociale del territorio».
Ing. Semplici, ha altro da aggiungere?
«Allo stato attuale sta maturando l’esigenza di una sempre più intensa collaborazione fra ambiente ospedaliero e centri universitari specializzati nella bioingegneria.
Il motivo deriva dal fatto che l’ingegnere biomedico viene formato all’utilizzo degli strumenti che consentono di trasformare i dati di una TAC con protocollo DICOM in file stampabili. Quindi è necessaria una stretta collaborazione fra il clinico che conosce la patologia da replicare e l’ingegnere che conosce sia il software di trasformazione (segmentazione) in un modello stampabile che i materiali disponibili.
Da questo punto di vista Bio3DModel ha avviato importanti collaborazioni con centri ospedalieri e universitari di eccellenza».
Dottoressa De Acutis, medicina rigenerativa: di cosa si tratta?
«La medicina rigenerativa è una branca della medicina relativamente nuova e fortemente interdisciplinare focalizzata sulla riparazione, rigenerazione e sostituzione di cellule, tessuti o organi per ripristinare funzionalità fisiologiche compromesse da cause quali difetti congeniti, malattie, traumi o invecchiamento.”
La medicina rigenerativa si basa dunque sull’impiego clinico di cellule staminali e/o di prodotti biologici, che hanno le capacità di indurre la migrazione delle cellule nel tessuto danneggiato, di stimolare la proliferazione cellulare e, alla fine del processo, di ottenere la riparazione e rigenerazione dei tessuti lesi.
Una branca della medicina rigenerativa che sta facendo passi da giganti è l’ingegneria tissutale, che prevede l’impianto di strutture biologicamente compatibili per favorire la rigenerazione del tessuto/organo.
In questo settore, il 3D bioprinting si è imposto come l’insieme delle tecnologie più promettente per rivoluzionare gli approcci convenzionali in medicina rigenerativa inaugurando la generazione di modelli cellulari e strutture tissutali 3D controllate con precisione, ingegnerizzando substrati di forma anatomica con complessità simile al tessuto nativo.
L’obiettivo ultimo è quello in futuro di stampare in laboratorio offrendo la possibilità di fornire organi per il trapianto. Al momento sono attualmente in corso molti progetti che prevedono l’utilizzo di tecnologie di 3D bioprinting in medicina rigenerativa, quelli più promettenti sono relativi alla rigenerazione della cute, di osso, cartilagine e la realizzazione di valvole cardiache.
Stampa 3D e biostampa stanno portando a un cambiamento radicale di mentalità e di approccio all’interno delle dinamiche medico-chirurgiche, nonchè nello sviluppo di nuove opportunità di cura e di dialogo fra medico e paziente.
Non esiste un ambito in cui la personalizzazione abbia valore maggiore che in medicina; questa capacità rappresenta infatti il principale valore distintivo della stampa additiva e della biostampa rispetto a metodi e sistemi tradizionali e sancisce l’importanza del legame fra tecnologia e medicina come importante passo per arrivare a dare risposte in grado di impattare concretamente sul benessere umano».
[1] Processo di produzione additivo, basato sull’uso di macchine di stampa 3D, per la costruzione tridimensionale degli elementi.
[2] Un biomateriale/bioinchiostro viene spinto attraverso un ugello (come ad esempio un ago di una siringa) mediante l’applicazione di aria compressa, per la fabbricazione di strutture con particolari alla micro-scala.
