Stampanti 3D: il futuro della medicina

Stampante 3D - Cuore umano Stampante 3D - Cuore umano Dariush M./shutterstock.com

Le stampanti 3D sono ormai una realtà già avviata, in continua sperimentazione e crescita, soprattutto nell’ambito biomedicale, e grazie a molti interventi ben riusciti negli ultimi anni, siamo ora in grado di capire l'enorme importanza che tali dispositivi rappresentano nel mondo biomedico e soprattutto per il miglioramento delle condizioni di vita.

Sicuramente ognuno di noi ha sentito parlare di 3D nel campo del cinema, e viene inteso come un tipo di proiezione cinematografica, che grazie ad alcune specifiche tecniche di ripresa, fornisce una visione stereoscopica delle immagini.  Con il termine 3D si intende quindi l’illusione di una visione tridimensionale, in modo tale che il cervello possa percepire le immagini in rilievo. Ad oggi il sistema più diffuso sfrutta la tecnica della luce polarizzata.

Ben diverso invece è il concetto di stampa in 3D. Andiamo con ordine.

La Stampante 3D

FELIX 3D Printer - Credit by Jonathan Juursema
FELIX 3D Printer - Credit by Jonathan Juursema

La stampante 3D ricade nelle innovazioni di maggior rilievo dell'ultimo decennio permettendo riproduzioni reali di modelli 3D realizzati con l'ausilio di opportuni software di modellazione e diventando un punto di forza del mondo tridimensionale. Essa ci offre la possibilità di stampare, in un singolo processo, parti composte da diversi materiali e diverse proprietà meccaniche e fisiche. Ricorderete i finanziamenti della Nasa per stampare cibo in 3D.
Rispetto alle altre tecnologie, le stampanti 3D sono sicuramente le più facili, veloci ed affidabili da usare per la produzione additiva. Una stampante di questo tipo a differenza di quella in 2D, che lavora su due dimensioni, si muoverà lungo tre assi e sovrapporrà tra di loro diversi strati di materiale, solitamente polimerico.

Le diverse tecniche usate per realizzare un oggetto sono: SLS – selective laser sintering (metodo granulare), FDM – fused deposition modeling (metodo a fusione), EBM - Electron beam melting (fusione a fascio di elettroni), LOM – Laminated Object Manufacturing (metodo laminato), DLP – digital light processing (metodo di polimerizzazione attraverso la luce pulsata), SLA – Stereolitografia (processo di fotopolimerizzazione), PP - Plaster-based 3D Printing.
I prezzi della stampante 3D variano anche di molto.

Stampe 3D in ambito biomedicale

Usare una stampante 3D per la realizzazione di costrutti biologici, in genere comporta l'applicazione delle cellule su un'impalcatura biocompatibile e l'utilizzo di un approccio "layer-by-layer" per generare strutture tridimensionali di tessuto. Dato che ogni tessuto del corpo è naturalmente caratterizzato da diversi tipi di cellule, le tecnologie per la stampa variano nella loro capacità di garantire la stabilità e la vitalità delle cellule durante il processo di fabbricazione. L'inchiostro biologico con cui viene caricata una stampante 3D per ambito medico proviene dalla coltura di cellule umane, prelevate dalle biopsie, oppure da cellule staminali.

Cardiologia

Children's National Medical Center - Credit by © Stephen Bobb
Children's National Medical Center - Credit by © Stephen Bobb
Fare modelli 3D accurati del cuore per ridurre il rumore e offrire la migliore qualità di stampa richiede un grande lavoro da parte dei ricercatori che devono cercare di ottimizzare i protocolli e l'elaborazione di imaging.
Recentemente a Washington, il Children's National Medical Center ha utilizzato la stampa 3D per creare modelli di cuore sintetici da immagini di pazienti pediatrici. Anche se questi modelli non vengono realmente impiantati, offrono informazioni preziose per i chirurghi che finalmente possono vedere e studiare una perfetta replica del cuore prima dell'eventuale intervento.
Ma la novità più grande è arrivata dalla collaborazione delle Università di Sydney, Harvard, Stanford e dal MIT, che è riuscita a riprodurre il sistema cardiovascolare attraverso una bio-stampa 3D.

Polmonare

Immagine della University of Michigan Health System
Immagine della University of Michigan Health System
Alcuni medici dell'Università del Michigan, hanno utilizzato la stampa 3D per il trattamento di un bambino che soffriva di tracheobroncomalacia, una condizione che si manifesta con il collasso dinamico delle vie aeree e insufficienza respiratoria. In pratica i medici sono riusciti a ricreare un modello 3D delle vie aeree del bambino, che ne ha permesso una maggiore comprensione e consentito, a partire da un biopolimero, la fabbricazione di un tutore riassorbibile. Dopo appena una settimana, i medici hanno iniziato a svezzare il bambino dalla ventilazione meccanica.

Ortopedia e Protesi

Immagine di © Allegra Boverman
Immagine di © Allegra Boverman
Grazie alla Oxford Performance Materials, che si è buttata a capofitto nella tecnologia di stampa 3D per l'assistenza sanitaria, abbiamo ora dei particolari impianti 3D, appositamente progettati per ogni paziente, in grado di sopperire vuoti nel cranio causati da traumi o da malattie. A marzo, l'azienda di Conn South Windsor, è addirittura riuscita a sostituire il 75 per cento del cranio di un uomo.
Alla cerimonia di apertura dei Mondiali 2014 in Brasile, un paraplegico ha potuto calciare un pallone grazie ad un esoscheletro. Il casco dell’esoscheletro è stato stampato in 3D.
L’ultima operazione riuscita grazie a questa innovazione è avvenuta a Pechino, in un ragazzo di 12 anni malato di tumore: l'equipe di medici coinvolta è riuscita a sostituire la vertebra malata con una ricostruita attraverso una stampa 3D.
Craig Gerrand, chirurgo presso il Newcastle Upon Tyne Hospitale NHS Trust, ha ricostruito in 3D una parte del bacino, per poi impiantarla in un paziente in cui era stata rimossa a causa di un tumore.
Il Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ha messo a punto una tecnica per produrre porzioni di pelle da utilizzare nei trapianti.
 
In conclusione, grazie a questi grandi passi da gigante, chissà, magari un giorno si potrebbe arrivare a non aver più bisogno del trapianto di organi umani.
La recenti speranze sono in mano all’azienda statunitense Organovo che negli ultimi anni sta testando la stampa 3D di materiali organici per la riproduzione di organi umani. Infatti ha già “creato” un piccolo frammento di fegato di alcuni millimetri; affinché le cellule possano crescere e maturare, l’intero processo richiede due giorni.
Ciò significa che in un domani, si spera non molto lontano, gli organi di sostituzione a quelli danneggiati saranno prodotti direttamente negli ospedali dalle stampanti 3D.

Insomma, anche se eticamente discutibile, la possibilità di esser in grado di poter costruire “organi di ricambio” perfettamente funzionanti per il nostro corpo sarebbe davvero una grande svolta per l’ingegneria biomedica e la medicina.

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