Il 3D Bioprinting ha inaugurato la generazione di modelli cellulari e strutture tissutali 3D controllate con precisione, ingegnerizzando substrati di forma anatomica con complessità simile al tessuto.
Grazie all’elevato grado di controllo di struttura e composizione, il bioprinting 3D ha il potenziale per risolvere molte esigenze critiche insoddisfatte nella ricerca medica, comprese le applicazioni nei test cosmetici, nella scoperta di farmaci e in particolar modo nella medicina rigenerativa e per gli studi in vitro di organi funzionali. I modelli personalizzati possono essere creati utilizzando cellule staminali derivate dal paziente come le cellule staminali pluripotenti o cellule staminali mesenchimali.
A seconda della natura del tessuto da rigenerare si sceglie una specifica gamma di materiali, metodi e cellule per ricreare le condizioni fisiologiche ottimali.
Il corpo umano ha capacità rigenerative limitate. Le attuali opzioni di trattamento per sostituire i tessuti e gli organi danneggiati si basano sull’ottenimento di tessuto dallo stesso individuo o sul trapianto da cadaveri. Esistono limitazioni a questi trattamenti che includono la morbilità del sito del donatore.
Il lavoro sul campo si è evoluto per creare una nuova frontiera quella dell’ingegneria rigenerativa, definita come la convergenza di scienza dei materiali avanzata, scienza delle cellule staminali, fisica, biologia dello sviluppo e traduzione clinica verso la rigenerazione di tessuti complessi e sistemi di organi.
Il bioprinting è un’applicazione estesa della prototipazione rapida o di una tecnica di produzione additiva per stampare materiali bio-funzionali strato per strato (LbL) che garantisce la creazione di strutture cellulari tridimensionale. Questo processo supera i limiti di quelli tradizionali basati sullo studio della proliferazione cellulare bidimensionale deposte su capsule Petri perchè conferendo all’aggregato cellulare una struttura tridimensionale garantisce la perfetta riproduzione della geometria dell’organo o del componente tissutale e le condizioni fisiologiche. ll processo si riferisce alla stampa e alla modellazione di cellule o altre entità biologiche direttamente su un substrato o su un piatto di coltura tissutale attraverso un sistema di distribuzione automatizzato.
Il componente principale del processo di bioprinting è il bioink costituito da cellule viventi, fattori di crescita e biomateriali che imitano l’ambiente della matrice extracellulare, favorendo le funzioni di adesione, proliferazione e differenziazione delle cellule dopo la stampa. Un aspetto critico che differenzia i bioink dai tradizionali materiali utilizzati per la stampa 3D sono:
- Temperatura di stampa che non superano le temperature fisiologiche
- Lieve reticolazione o condizioni di gelificazione
- Componenti bioattivi atossici e in grado di essere modificati dalle cellule dopo la stampa
Tutt’oggi il 3D Bioprinting si compone di 3 principali tecnologie di stampa che si differenziano a seconda dei criteri basati su stimoli per assistere alla deposizione di bioink:
Extrusion Bioprinting: Prevede che le cellule sospese in soluzioni prepolimeriche vengono caricate all'interno di siringhe o serbatoi monouso per uso medico e successivamente stampate su una piattaforma azionata da aria pressurizzata o forze meccaniche generate da un pistone o da una vite rotante.
Inkjet Bioprinting: Il bioprinting a getto d'inchiostro è una tecnologia senza contatto che deposita piccole goccioline di un bioink (1–100 picolitri) su una piattaforma ricevente con risoluzione micrometrica. Nella stampa drop-on-demand, goccioline con un diametro medio di 10–50 μm vengono rapidamente generate attraverso l'azione di effetti termici o piezoelettrici e successivamente espulse attraverso un minuscolo orifizio posto all'estremità del serbatoio.
Laser-assisted Bioprinting: Il bioprinting laser-assistito (LAB) prevede l'applicazione di un laser pulsato ad alta energia (spesso un laser vicino all'infrarosso) su un nastro donatore rivestito con il bioink da stampare per generare l'espulsione locale di piccole goccioline. La luce laser incidente è focalizzata principalmente su un substrato trasparente al laser ( ad esempio, substrato di vetro o quarzo), che è rivestito con uno strato sottile di metallo ( ad esempio, oro e titanio) che assorbe l'energia della luce e ne promuove il trasferimento al bioink. In questo momento, viene generata una bolla ad alta pressione e una piccola goccia viene spinta verso una piattaforma ricevente.
