„L’applicazione della stampa 3D e ICT per prodotti e processi verdi”
Livello basale
La stampa 3D crea un oggetto tangibile aggiungendo livelli successivi che rappresentano sezioni trasversali dell’oggetto.
Principi di funzionamento della stampa in 3D
Definizione
La stampa 3D crea un oggetto tangibile aggiungendo livelli successivi che rappresentano sezioni trasversali dell’oggetto. L’allusione più semplice è fare una torta stratificata (Fig. 1), solo che gli strati sono numerosi e tipicamente molto sottili, solo circa 1/5 del millimetro.
A.
B.
Figura 1. Strati e stratificazione nella stampa 3D.
A – Torta a strati, che rappresenta il principio di base della stampa 3D. Fonte: Caroline’s Cakes – Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12799030
B – Castello di cioccolato stampato in 3D. Fonte: FM1418, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
La stampa 3D è vicina, sia nel processo che nel materiale, alla normale stampa 2D con carta e inchiostro.
Tuttavia, nella tipica stampa 2D si crea solo un’illusione di profondità usando la prospettiva e il colore o la scala di grigi, mentre la stampa 3D crea oggetti 3D tangibili. Questi possono avere una miriade di scopi, dalla creazione rapida di prototipi per la ricerca e l’industria agli oggetti stampati per uso quotidiano o speciale; parti di macchine; oggetti culinari fatti su misura come il castello di cioccolato presentato in Fig. 1B; materiali impiantabili stampati per la medicina rigenerativa e, potenzialmente, ‘parti di ricambio’ per il corpo umano; e nuove forme d’arte.
Una stampante 3D desktop di base con PC è presentata in Fig. 2.
Figura 2. LulzBot TAZ (FAME 3D, Fargo, ND, USA), una macchina da stampa 3D open-source basata sulla tecnologia FDM. Fonte: Ochs, J. – College, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=59898086
Tipicamente, il processo di stampa 3D di un oggetto è additivo (quindi la stampa 3D è anche nota come “produzione additiva”). Si ottiene depositando strati su strati di un materiale stampabile (comunemente chiamato “inchiostro 3D”) fino al completamento dell’oggetto.
Gli oggetti stampati in 3D non devono essere solidi all’interno (anche se potrebbero essere). Possono contenere qualsiasi tipo di cavità impostata nel file di dati utilizzato per la stampa, perché ogni livello rappresenta una sezione trasversale a un livello specifico nell’oggetto prodotto.
Una breve gif time-lapse che illustra il processo di base della stampa 3D può essere visualizzata qui:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Robot_3D_print_timelapse_on_RepRapPro_Fisher.gif
La stampa 3D più comunemente usata al giorno d’oggi è la modellazione a deposizione fusa (FDM), anche se altri tipi stanno rapidamente guadagnando popolarità.
Breve storia del settore
È opinione comune (e citata) che l’idea stessa della stampa 3D non sia esistita fino agli anni ’50, quando lo scrittore di fantascienza Raymond F. Jones pubblicò un racconto che descriveva l’uso di uno ‘spray molecolare’ diretto da informazioni provenienti da un nastro dati preregistrato. Tuttavia, la possibilità di creare in modo controllato e senza mani un oggetto tangibile complesso seguendo indicazioni virtuali era stata prevista circa 50 anni prima dal grande visionario Joseph Rudyard Kipling nella sua storia per bambini “Come il cammello ottenne il suo humph”. Il primo tentativo di stampa 3D, tuttavia, non è arrivato fino agli anni ’70, e ha comportato sia la creazione che la rimozione di oggetti. In particolare, si trattava del brevetto ‘Liquid metal recorder’ di Johannes F. Gottwald (US3596285A) che utilizzava inchiostro metallico elettricamente conduttivo spinto sotto pressione contro una superficie. L’inchiostro fuso scorreva alla temperatura di stampa ma si solidificava al contatto con la superficie, quindi poteva essere rimosso aumentando la temperatura sopra il punto di fusione, permettendo il riutilizzo dell’inchiostro e della superficie per un ulteriore uso.
Come per la maggior parte dei nuovi concetti, l’idea della stampa 3D non ha incontrato il successo iniziale. Nei primi anni 1980, un brevetto è stato depositato da Hideo Kodama in Giappone per la produzione additiva di un “dispositivo di disegno di figure stereoscopiche” utilizzando un polimero a indurimento UV dove le aree di irradiazione UV erano controllate da un modello di mascheramento preimpostato (JP S56144478 A). Nonostante la pronta pubblicazione dei suoi risultati, Kodama non riuscì a suscitare molto interesse nel suo progetto, che fu successivamente cancellato.
Quattro anni dopo in Francia la stessa sorte toccò al concetto di stereolitografia presentato da Le Méhauté, de Witte e André e al loro successivo brevetto per il processo, presumibilmente “per mancanza di prospettive commerciali” [http://www.primante3d.com/inventeur/].
In quel periodo l’americano William E. Masters depositò il primo della sua serie di brevetti (in particolare, il brevetto per ‘Computer Automated Manufacturing Process and System’ (US 4665492) che alla fine gettò le basi della stampa 3D come la conosciamo.
Solo due anni dopo l’americano Charles Hull ottenne un brevetto per il suo “apparato per la produzione di stereolitografie” (US4575330A), fondò la sua società e infine rilasciò la prima stampante 3D commerciale, la SLA-1, nel 1987. Il brevetto per il tipo di stampa 3D più usato al giorno d’oggi – la FDM – fu depositato nel 1989 negli Stati Uniti da S. Scott Crump (US5340433A) e la prima attrezzatura FDM fu rilasciata nel 1992. Hull ha anche dato probabilmente la definizione più semplice e tuttavia completa della stampa 3D fino ad oggi, vale a dire: “Un sistema per generare oggetti tridimensionali creando un modello trasversale dell’oggetto da formare…”, nella descrizione del suo brevetto per ‘Metodo di produzione di oggetti tridimensionali tramite stereolitografia’ (US5174943A).
Vantaggi e svantaggi della stampa 3D come metodo di produzione
Ci sono numerosi vantaggi nell’usare la stampa 3D piuttosto che i metodi tradizionali di fabbricazione. Alcuni di questi sono elencati di seguito:
- Design complesso
Dato che l’oggetto non è tagliato da un blocco, la stampa 3D può gestire diversi design con una struttura molto complessa.
- Possibilità di modifiche dell’ultimo minuto.
Il design è facilmente modificabile e una varietà di prototipi diversi di un oggetto può essere rapidamente prodotto e testato.
- Adattamento facile e rapido del design alle esigenze individuali
A differenza dei metodi tradizionali di produzione, l’introduzione delle modifiche necessarie riguarda i file di dati piuttosto che la macchina stessa e può essere effettuata con pochissimo preavviso.
- Produce oggetti leggeri e durevoli
Questo dipende dal materiale utilizzato, ma la maggior parte delle stampanti 3D commerciali utilizza la plastica, anche se è possibile utilizzare altri materiali come gesso, metallo, leghe metalliche, ecc.
- Produzione relativamente rapida su piccole scale.
A seconda delle dimensioni e della complessità del design, la maggior parte degli oggetti può essere prodotta in poche ore, anche se quelli più grandi possono richiedere più tempo.
- Basso (rispetto ai metodi tradizionali di fabbricazione) spreco di materiale
Di nuovo, dato che non c’è taglio, perforazione o foratura, lo spreco di materiale è trascurabilmente basso. Un’eccezione è la stampa 3D basata sulla polvere, dove la polvere in eccesso viene solitamente persa.
- Può essere più conveniente dei metodi tradizionali di fabbricazione
Questo dipende in gran parte dal materiale e dal processo utilizzato per la fabbricazione.
- La facilità di accesso dei ricercatori, dell’industria e del pubblico alle stampanti 3D è in continuo aumento
Attualmente, l’accesso a una stampante 3D è relativamente facile, anche se c’è tipicamente una coda di clienti in attesa di usare l’attrezzatura. Il tempo di attesa dipende dalla marca e dal modello della stampante, dall’istituzione che la ospita e dal tipo di utilizzo della stampante 3D.
- Può essere più ecologico dei metodi tradizionali di fabbricazione
Di nuovo, questo dipende dal tipo di materiale usato, dall’intensità d’uso e dalla manutenzione dell’attrezzatura. Gli oggetti scartati, l’acqua di scarico e l’emissione di piccole particelle, tuttavia, possono rappresentare un problema (vedi sotto).
- Usi speciali della stampa 3D nella medicina riparativa e rigenerativa (3D-bioprinting)
Un significativo sforzo di ricerca e sviluppo è attualmente investito nello sviluppo di una nuova generazione di materiali impiantabili. Invece di fornire semplicemente un supporto inerte, superfici adatte all’attrito e un ponte tra porzioni intatte di tessuto danneggiato (che sono le funzioni principali della maggior parte dei materiali impiantabili di oggi), i nuovi materiali possono anche presumibilmente diventare una parte dell’habitat naturale delle cellule del tessuto danneggiato. Tali materiali possono essere puramente di origine artificiale ma assomigliare al tessuto biologico (materiali biomimetici). Un uso potenziale del 3D bioprinting è fornire un ambiente 3D ottimale dei materiali impiantabili per la colonizzazione con cellule viventi del tessuto circostante. Un’altra applicazione molto promettente del 3D bioprinting è il potenziale per la creazione di tessuti viventi (e, potenzialmente, organi sostitutivi funzionanti e vari “pezzi di ricambio” per corpi viventi) utilizzando materiali basati su cellule viventi come “bioink” stampabile (vedi sotto).
Le potenziali limitazioni della stampa 3D rispetto ai metodi di produzione tradizionali possono essere:
- Limitazioni imposte da errori di progettazione
Sebbene non vi siano praticamente limiti ai potenziali tipi di progettazione, un singolo errore nel progetto può portare alla produzione di oggetti inutilizzabili. Mentre alcuni degli errori di progettazione possano essere ridotti al minimo dalla finitura, possono aumentare il tempo necessario per elaborare un ordine e ridurre la durata dell’oggetto.
- Limitazione imposta dal materiale
La maggior parte delle stampanti 3D utilizza come inchiostro un qualche tipo di polimero plastico, anche se alcuni possono anche stampare con metallo e leghe metalliche. Gli oggetti che vengono prodotti e poi scartati possono rappresentare un problema se il materiale non è biodegradabile e/o riciclabile. La stampa e la post-lavorazione possono comportare l’emissione di particelle che contribuiscono all’inquinamento ambientale e possono avere un potenziale cancerogeno se respirate e ingerite.
Le questioni relative al materiale per la biostamma possono essere ulteriormente aggravate nella biostamma 3D, dove la vitalità delle cellule viventi e la biocompatibilità sono della massima importanza.
- Limitazioni imposte dalle dimensioni dell’oggetto
Oggetti molto grandi possono essere difficili da produrre in un unico pezzo. Potrebbe essere necessario stampare separatamente diverse sezioni dell’oggetto e quindi assemblare insieme. Ciò può aumentare i tempi e i costi per la produzione e può ridurre la durata dell’oggetto (vedi sotto).
- L’integrità degli oggetti prodotti può essere compromessa
Questo può essere un problema soprattutto quando le parti vengono prodotte separatamente e poi assemblate insieme. Sotto stress fisico, gli strati possono separarsi (specialmente negli oggetti prodotti da FDM) e gli oggetti complessi possono essere fragili e delicati da maneggiare.
- Gli oggetti stampati in 3D potrebbero aver bisogno di essere rifiniti
In sostanza, questo non fa differenza con la produzione tradizionale. Ancora una volta, ciò potrebbe aumentare i tempi e i costi per la produzione.
- Costo generalmente non ridotto con lotti più grandi
Nella fabbricazione tradizionale, quando l’attrezzatura funziona a pieno regime, i costi di fabbricazione per oggetto o per lotto tendono generalmente ad essere inferiori. Questo non è il caso della stampa 3D e grandi volumi di produzione possono essere costosi.
- Problemi di copyright
Abbastanza autoesplicativo. I problemi non riguardano solo gli oggetti fabbricati, ma anche il software, l’hardware e i processi utilizzati per la loro produzione.
- Questioni etiche, riguardanti principalmente la biostampa 3D dei tessuti viventi
- Può provocare indirettamente una riduzione dei posti di lavoro nel settore manifatturiero tradizionale.
Nozioni di base sui processi e sui materiali di stampa 3D
Tipi di processi di stampa 3D
Attualmente esistono molti tipi di tecnologie di stampa 3D. Ciò che tutte hanno in comune è che gli oggetti tangibili sono creati per deposizione di strati successivi piuttosto che tagliare l’oggetto da un blocco solido e/o forare, fresare o alesare. Ogni strato consecutivo rappresenta una sezione trasversale dell’oggetto in costruzione. Il processo è controllato da un computer dotato di un software apposito per la creazione di file di progettazione, l’elaborazione dei file e la stampa dell’oggetto (vedi oltre per i dettagli).
Di seguito sono presentate brevemente alcune delle tecnologie più comuni per la stampa 3D. Questa lista non è affatto esclusiva.
- Tecnologie basate su inchiostro liquido o semisolido: SLA, FDM, EXT, PolyJet
Tutte e tre si basano sulla deposizione di strati di inchiostro liquido (più o meno viscoso) che vengono poi fusi l’uno con l’altro con il calore o con un raggio di luce diretto (emesso da una lampada UV o da un laser). L’inchiostro può essere estruso da un ugello o, quando è di maggiore consistenza, alimentato da una bobina.
- Stereolitografia (SLA)
La stampa 3D stereolitografica è forse la più facilmente comprensibile di tutte le tecnologie di stampa 3D, probabilmente perché la fotopolimerizzazione è comunemente usata nella moderna odontoiatria. Fondamentalmente, la stereolitografia è la fotopolimerizzazione di materiale fotosensibile estruso a strati su una piattaforma mobile. La lunghezza d’onda della sorgente luminosa è più spesso nella gamma UV, ma possono essere usate anche altre lunghezze d’onda. I materiali SLA polimerizzano tramite polimerizzazione a radicali liberi.
Diverse parti dell’oggetto possono aver bisogno di essere supportate nella realizzazione dell’oggetto in modo da evitare il collasso dell’intera struttura. Gli strati successivi vengono fatti aderire l’uno all’altro tramite la polimerizzazione incrociata dello strato appena polimerizzato con lo strato appena depositato dove la polimerizzazione è ancora incompleta. Dato che la polimerizzazione può richiedere un po’ di tempo per essere completata, l’oggetto stampato di solito ha bisogno di un po’ di tempo per indurirsi, poi i supporti vengono rimossi (se ne rimane qualcuno dopo che l’ultimo strato è stato depositato), poi può avere luogo un post-processing finale.
Un modello 3D stampato in SLA è presentato in Fig. 3.
Figura 3. Stereolitografia del labirinto osseo dell’orecchio interno nell’uomo. Fonte: Didier Descouens, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
L’inchiostro usato nella stampa SLA è solitamente liquido nella sua forma non polimerizzata. È per lo più epossidico o acrilico, anche se possono essere usati anche inchiostri a base di trimetilene carbonato, policaprolattone e polilattide. L’uso di tali materiali produce oggetti stampati con una rigidità significativa che sono, tuttavia, piuttosto fragili. Così, lo SLA è abbastanza adatto per la prototipazione rapida e per scopi di ricerca (per esempio, impalcature per l’ingegneria dei tessuti) ma non per oggetti che devono essere durevoli. Lo SLA ha una risoluzione abbastanza alta (lo spessore minimo dello strato è di 50 μm) e quindi è molto affidabile quando il dettaglio fine è cruciale.
Gli oggetti creati con lo SLA possono essere sensibili alla luce e possono tendere a disintegrarsi nel tempo, specialmente se tenuti in ambienti luminosi.
I solventi sono raramente usati nella stampa SLA, quindi il rischio di fuga di fumi nell’atmosfera è basso. A causa della fragilità degli oggetti stampati in SLA, tuttavia, gli oggetti scartati possono rappresentare un rischio ambientale. L’uso degli UV richiede precauzioni speciali per evitare l’esposizione accidentale delle superfici, degli oggetti e degli operatori al raggio di polimerizzazione. Alcuni degli inchiostri utilizzati per la stereolitografia possono avere un significativo potenziale neurotossico e cancerogeno. Inoltre, potrebbe essere necessario considerare la formazione di ozono mediata dagli UV.
- Modellazione a deposizione fusa (FDM), nota anche come fabbricazione a filamento fuso (FFF)
Attualmente, questa è la tecnologia più comunemente usata per la stampa 3D. La tecnologia FDM si basa sull’estrusione di un filamento di inchiostro termoplastico alimentato da una bobina attraverso un ugello mobile riscaldato della stampante. L’inchiostro all’interno dell’ugello è riscaldato appena sopra il suo punto di fusione e viene estruso in forma semi-solida che si solidifica quasi istantaneamente dopo che uno strato viene depositato. L’oggetto è costruito su una piattaforma mobile che viene gradualmente abbassata man mano che la struttura cresce (Fig. 4).
Figura 4. Principio di funzionamento delle stampanti FDM. Fonte: By Gringer – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=73614647.
Lo spessore minimo dello strato per FDM è di 100 μm. I materiali di inchiostro più comunemente usati per FDM sono acrilonitrile butadiene stirene (ABS), polilattide (PLA) e polietilene tereftalato glicole (PETG). Altri, come il polifenil etere (PPE), il poliuretano (PU), il polietilene tereftalato glicole (PETG), il polifenilsulfone (PPSP), il policarbonato (PC), il polieterimmide (PEI), il polietere chetone (PEEK), la poliammide (PA, comunemente nota come nylon) sono anche in uso. Anche l’alcool polivinilico (PVA) può essere usato, ma poiché è idrofilo, il PVA è più comunemente usato per produrre supporti facilmente rimovibili per una struttura stampata usando un altro tipo di inchiostro termoplastico.
L’inchiostro riscaldabile per FDM può essere anche sotto forma di bacchette o granuli. Una variante di FDM utilizza l’estrusione a freddo di inchiostro non riscaldato, solitamente fornito come fango o pasta.
Una stampante FDM con bobina di filamento è presentata in Fig. 5.
Figura 5. Stampante PRUSA i3 MK2 FDM (Prusa Research, Praga, Repubblica Ceca) con bobina e oggetto completato. Fonte dell’immagine: Wikimedia Commons, http://reprap.org/wiki/File:Prusai3-MK2.jpg.
Essendo relativamente a basso costo, FDM è particolarmente popolare tra gli hobbisti e i modellisti da tavolo. Inoltre, FDM è comunemente usato per la prototipazione rapida in ingegneria, nella fabbricazione di parti e macchinari ad alte prestazioni, nell’educazione e nell’arte.
Gli oggetti prodotti da FDM sono significativamente più durevoli di quelli prodotti da SLA e con un’ottima qualità di riproduzione dei dettagli. Inchiostri FDM di qualità diversa producono oggetti con proprietà diverse per quanto riguarda la durata, la rigidità e la flessibilità (vedi sotto).
Gli svantaggi della stampa 3D in FDM sono principalmente legati ai potenziali rischi ambientali (uso di solventi, emissione di piccole particelle durante la post-elaborazione, e il fatto che gli oggetti scartati sono abbastanza durevoli).
– Stampa 3D per estrusione semisolida (EXT)
La stampa 3D EXT è un’altra tecnologia basata sull’estrusione. L’inchiostro è di solito una miscela polimero-solvente con la consistenza della pasta. I materiali EXT non sono termoplastici, permettendo la stampa a basse temperature. Nuovamente, l’oggetto è costruito su una piattaforma mobile.
La EXT è comunemente usata nella ricerca (per esempio, impalcature di tessuti) e per scopi farmaceutici (consegna mirata e/o temporizzata di farmaci). La biosicurezza è garantita dall’uso di inchiostri a base di polivinilpirrolidone, polietilenglicole, meticelulosa, idrossipropilmetilcellulosa, policaprolattone e altri materiali. EXT è uno degli approcci potenziali per l’estrusione di tessuti viventi da un idrogel contenente cellule viventi. Inoltre, l’estrusione con pasta viscosa per alimenti (glassa, cioccolato, gelatina, ecc.) è un metodo preferito per la stampa 3D per l’industria alimentare (Fig. 6).
Figura 6. Stampa di estrusione per l’industria alimentare. Fonte: Grup de recerca de la Universitat de Columbia – https://www.creativemachineslab.com/digital-food.html, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=84202502
Poiché il materiale per la stampa EXT 3D non è né fotosensibile né termoplastico, gli strati in genere non si solidificano istantaneamente. Pertanto, l’oggetto 3D appena stampato potrebbe aver bisogno di tempo per impostare e /o asciugare dopo il completamento quando il solvente/i evapora. Può anche essere soggetto a deformazioni, restringimento e deformazione. Lo spessore minimo dello strato per EXT è di 800 μm. Questa bassa risoluzione è inerente alle tecniche di estrusione semi-solida.
- PolyJet
PolyJet è un’altra tecnologia di stampa 3D a base liquida. Come SLA, si basa sulla polimerizzazione UV strato per strato di un polimero fotosensibile. L’inchiostro, tuttavia, viene rilasciato dalla testa della stampante in goccioline che si accumulano su una piattaforma di costruzione come indicato da un software designato. La tecnologia PolyJet consente la miscelazione di inchiostri, con conseguente maggiore varietà di proprietà per gli oggetti fabbricati.
Gli inchiostri PolyJet comprendono una grande diversità di materiali. Tra i comunemente usati ci sono ABS (diverse modifiche), il relativo acrilonitrile di stirene acrilico composto (ASA, più resistente al calore e ai raggi UV rispetto all’ABS), policarbonato e chetone polieteretone (PEKK). Vari materiali fotosensibili utilizzati in altre tecnologie di stampa 3D a base liquida possono essere utilizzati anche in Polyjet. Ci sono anche la serie appositamente progettata di inchiostriVero PolyjetTM brevettati da uno dei leader di mercato nelle stampanti e nei materiali 3D, Stratasys. Membri di spicco dei materiali PolyJet biocompatibili sono MED610 e MED620, una resina a base di metacrilato utilizzata in medicina e odontoiatria per la prototipazione rapida.
I vantaggi dell’utilizzo di PolyJet sono la risoluzione relativamente elevata (lo spessore minimo dello strato è di 160 μm, consentendo la creazione di strutture stabili con geometria complessa e dettagli squisiti) e la grande varietà di proprietà (resistenza, flessibilità, colori, ecc.). Gli svantaggi sono (oltre agli svantaggi comuni della stampa 3D sopra descritti) i livelli intrinsecamente elevati di emissione di piccole particelle, l’uso della luce UV e l’emissione di fumi tossici quando si polimerizzano oggetti fabbricati con alcuni tipi di inchiostri (ad esempio, ASA). Gli oggetti stampati potrebbero richiedere la post-elaborazione e potrebbero essere fotosensibili.
- Stampa 3D basata sulla polvere (PB)
La tecnologia di stampa PB 3D si basa sulla deposizione di strati successivi di materiale in polvere e sul loro legame mediante una soluzione di legante liquido o fusione con altri metodi (vedi sotto). La polvere viene depositata in un letto di polvere o prodotta da un getto di polvere e viene quindi spruzzata o gettata con legante, irradiata con luce o riscaldata al fine di ottenere l’integrità dell’oggetto.
Lo spessore minimo dello strato può variare notevolmente nella stampa PB 3D e gli strati possono essere sottili fino a 20-30 μm con alcuni materiali. Questa altissima risoluzione consente di creare strutture molto complesse con dettagli squisiti. Generalmente, tuttavia, lo spessore dello strato è di circa 200 μm.
I materiali in polvere sono solitamente prodotti dalla macinazione criogenica in un mulino a sfera a una temperatura inferiore alla temperatura di transizione del vetro del materiale. La macinazione può essere utilizzata con gas a bassa temperatura (CO2 liquida o azoto liquido – polverizzione a secco) o una miscela di gas a bassa temperatura e solventi organici (macinazione a umido). Nella sua forma più semplice, la stampa PB 3D è ottenibile utilizzando materiali come amido in polvere o gesso legato insieme alla colla (Fig.7). Coloranti e composti plastici possono essere aggiunti alla soluzione di legame al fine di ottenere le proprietà desiderate.
Figura 7. Prototipi rapidi prodotti dalla stampa 3D basata sulla polvere. Fonte: S Zillayali, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons.
Gli svantaggi della stampa 3D basata su PB sono legati, da un lato, alle proprietà fisiche degli oggetti creati con questo tipo di tecnologia e, dall’altro, alla necessità di post-elaborazione al fine di ottenere la massima qualità. Gli oggetti costruiti da PB 3D sono intrinsecamente altamente porosi e, pertanto, presentano una scarsa resistenza meccanica e possono essere fragili.
Gli oggetti stampati con PB hanno sempre bisogno di tempo per l’evaporazione dei solventi. La post-lavorazione è solitamente necessaria per rimuovere la polvere in eccesso (quindi una certa quantità di materiale viene sempre sprecata) e per migliorare le proprietà degli oggetti fabbricati (resistenza, colore, smalto, ecc.). L’emissione di piccole particelle potenzialmente dannose è una seria preoccupazione in tutte le tecnologie basate su PB per la stampa 3D.
PB è stato utilizzato con successo nella ricerca, odontoiatria e medicina per la produzione di impianti e la fabbricazione di farmaci con proprietà farmacocinetiche specifiche come compresse rapidamente disintegranti, farmaci con rilascio ritardato, pulsatile o prolungato. La biosicurezza di queste forme di dosaggio è garantita dall’uso di metacrilato o cellulosa etilica come portatori della sostanza bioattiva.
- Getto di colore
ColorJet non è esattamente una tecnologia, ma una marca di stampanti 3D a base di polvere e forniture prodotte in India. Offre una delle soluzioni più semplici nella stampa 3D PB. Il materiale utilizzato è più comunemente polvere di gesso bianco anche se può essere utilizzata anche plastica (ad esempio, la polvere brevettata Visijet C4 Spectrum dell’azienda). Il materiale è stratificato su una piattaforma mobile e legato da adesivo. Il legante può contenere coloranti diversi, conferendo diversi colori al modello in costruzione.
ColorJet è più comunemente usato per la prototipazione rapida. Lo spessore minimo dello strato è di circa 100 μm, ma può variare con materiali diversi.
Colorjet fornisce una soluzione economica in cui durata, fragilità e porosità non sono di grande preoccupazione. Pertanto, è una soluzione accettabile per la produzione di modelli per scopi educativi, di ricerca e commerciali (ad esempio, modelli di vendita) e all’art. Un processo simile che utilizza polvere commestibile e soluzione di legante è comunemente utilizzato nell’industria alimentare per creare dolci e piatti personalizzati.
Gli oggetti stampati da ColorJet potrebbero richiedere un’ampia post-elaborazione. Le strutture in gesso devono indurirsi dopo il loro completamento e i solventi devono evaporare. Quindi l’oggetto viene lucidato e impregnato con un altro tipo di legante (di solito acrilico) per ottenere la massima resistenza e ridurre la porosità superficiale. I fumi di solvente possono essere una preoccupazione ambientale, così come l’emissione di piccole particelle.
- Sinterizzazione laser selettiva (SLS)
SLS condivide le caratteristiche comuni sopra elencate per la stampa PB 3D. In SLS il materiale in polvere viene stratificato e un fascio di luce diretto generato dalla testa della stampante si liquefa parzialmente e fonde gli strati l’uno con l’altro mentre la struttura viene costruita in un processo comunemente considerato necking (Fig. 8).
Figura 8. Formazione di un “collo” tra due strati fumanti (frecce). Fonte: Mendoza.755 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76830144
Lo spessore minimo dello strato in SLS è di circa 100 μm.
SLS funziona molto bene con materiali ad alto punto di fusione ed è quindi più comunemente usato con inchiostri a base di metallo. Possono essere utilizzate anche plastica (poliammide, policarbonato, polistirolo e altri), resina termoplastica, vetro e polveri ceramiche. SLS è spesso usato per la prototipazione rapida nella ricerca (in particolare impalcature tissutali) e in odontoiatria. A questo punto, le opportunità di sviluppo della tecnologia basata su SLS nell’industria farmaceutica sono piuttosto limitate in quanto l’energia radiante e il calore generato nel corso della fusione a strati possono compromettere seriamente le proprietà della sostanza bioattiva.
I prodotti alimentari in polvere (cacao, zucchero, ecc.) possono essere utilizzati per la stampa 3D nell’industria alimentare.
- Fusione laser selettiva (SLM)
SLM è spesso visto come una derivazione di SLS, in quanto viene utilizzato principalmente per la stampa con polveri metalliche e in lega metallica. Tuttavia, mentre il laser a testa della stampante SLS genera abbastanza energia da fondere gli strati l’uno all’altro, SLM utilizza un laser ad alta potenza che può fondere completamente un blocco di metallo e quindi lasciare che sia impostato nella forma desiderata in modo simile alla fusione. SLM produce oggetti significativamente meno porosi di SLS e con una migliore resilienza meccanica grazie alla struttura interna omogenea. Uno svantaggio di SLM è che gli oggetti richiedono la lucidatura dopo il loro completamento in quanto genera strutture con maggiore granulosità superficiale.
La fusione elettronica del fascio (EBM) è un sottotipo di SLM che utilizza in modo simile e fascio elettronico per fondere polveri metalliche.
- Sinterizzazione selettiva del calore (SHS)
SHS si basa essenzialmente sullo stesso principio di SLS, ma l’inchiostro è termoplastico e, rispettivamente, la fusione strato per strato si ottiene utilizzando il calore generato da una testa della stampante termica. Il materiale più comune utilizzato in SHS è la plastica (in particolare, la poliammide, ma possono essere utilizzati anche altri polimeri).
Tutti gli oggetti prodotti da SLS o SHS sono soggetti a deformarsi e restringimento. Le proprietà meccaniche degli oggetti stampati possono essere incoerenti da un oggetto all’altro, nonché da un batch all’altro. Gli oggetti realizzati con SLS e SHS spesso richiedono la post-elaborazione, come la rimozione di supporti e rivestimenti con agenti sigillanti al fine di ridurre la porosità superficiale.
- Fusione multi getto (MJF)
La stampa 3D MJF è un ibrido dell’approccio ColorJet (uso di leganti chimici) e SHS (uso del calore) che funziona principalmente con poliammide (Nylon). Fondamentalmente, la polvere di poliammide a grana fine viene stratificata su un letto di polvere, spruzzata o gettata con legante e quindi riscaldata selettivamente secondo le istruzioni di un software pre-programmato. Lo spessore minimo dello strato è di circa 80 μm. Al termine dell’oggetto, avviene la post-elaborazione (rimozione della polvere in eccesso, lucidatura, ecc.). MJF produce oggetti meno porosi e quindi più coerenti nelle loro proprietà meccaniche rispetto a SLS o SHS e ha una migliore capacità di riproduzione dei dettagli fini. Anche la finitura superficiale è migliore con MJF. I fumi chimici e la generazione di piccole particelle sono una preoccupazione, come per tutte le tecnologie PB 3D.
Requisiti di post-elaborazione per diverse tecnologie di stampa 3D
Non tutti gli oggetti realizzati con la stampa 3D richiedono la post-elaborazione. Tuttavia, molti hanno bisogno di più lavoro dopo il completamento della struttura. Se un oggetto ha bisogno di post-elaborazione dipende dal materiale, dalla tecnologia, dalle proprietà estetiche o meccaniche desiderate e da altri fattori.
Generalmente, esistono diversi tipi di post-elaborazione di oggetti stampati in 3D:
- Impostazione e/o indurimento
Quasi tutte le strutture stampate in 3D hanno bisogno di un po ‘di tempo dopo il loro completamento per maturare e ottenere proprietà meccaniche ottimali. Gli oggetti realizzati con processi a base di estrusione (in particolare quelli che utilizzano miscele semisolide di polimero e solvente) e processi a base di polvere utilizzando materiali impregnati di soluzioni leganti sono particolarmente sensibili alle sollecitazioni meccaniche immediatamente al completamento. In questo caso la post-elaborazione include il tempo per l’evaporazione e l’indurimento del solvente. In alcuni casi (ma non sempre), ciò può essere facilitato dall’aumento della ventilazione nei locali in cui sono conservati gli oggetti completati.
- Supporto di strutture incompiute
Le strutture complesse contenenti sporgenze potrebbero non essere stabili durante la produzione senza supporti, anche se temporanei. Questi supporti devono essere rimossi al termine della struttura, aumentando i tempi di completamento e i costi di produzione (specialmente se ciò comporta manodopera). Nella stampa 3D basata su SLA, i supporti per una struttura stampata con inchiostro termoplastico sono più comunemente realizzati in alcool polivinilico. Poiché è solubile, tali supporti possono essere facilmente rimossi durante la post-elaborazione con un getto d’acqua. Quest’ultimo, tuttavia, richiede impianti idraulici, accesso all’acqua e sistema di decontaminazione per le acque reflue (che possono anche aumentare i costi). Le strutture di supporto temporanee in SLS e SHS sono solitamente realizzate in materiale non interrato che può essere aspirato o fatto esplodere dall’aria.
- Rimozione del materiale in eccesso
Questo è fondamentale per gli oggetti realizzati con la maggior parte dei metodi a base di polvere. L’eccesso di polvere deve essere rimosso utilizzando il vuoto, l’esplosione dell’aria o un getto d’acqua (ancora una volta, ciò solleva preoccupazioni sull’approvvigionamento idrico e sulla decontaminazione delle acque reflue).
- Lucidatura
La lucidatura è un must per migliorare le caratteristiche meccaniche delle parti meccaniche (in particolare quelle sottoposte a movimento e attrito) e degli oggetti con maggiore granulosità della superficie (come quelle prodotte dalla fusione laser selettiva). Anche gli oggetti con proprietà estetiche potrebbero aver bisogno di lucidatura.
- Sigillatura dei pori superficiali
Si tratta di un importante passaggio di post-elaborazione per le tecnologie che producono oggetti con maggiore porosità, come SLS o SHS. I pori superficiali possono essere sigillati con rivestimenti impermeabili come rivestimenti cianoacrilati o mediante pressatura isostatica a caldo.
- Verniciatura
Questo non è comunemente necessario, poiché la maggior parte dei processi di stampa 3D utilizza materiali di colore diverso o leganti di colore diverso.
Quale processo per quale? Considerazioni di base nella scelta della tecnologia di stampa 3D adatta a una particolare applicazione
Mentre tutte le tecnologie di stampa 3D possono avere applicazioni sovrapposte (ad esempio, prototipazione rapida), ci sono fattori che possono pesare quando viene selezionata una tecnologia di stampa 3D per un particolare progetto o una soluzione industriale specifica. Le considerazioni principali sono:
- Tipo di materiale che può essere utilizzato per stampare un oggetto. Molte stampanti 3D sul mercato possono utilizzare una varietà di materiali diversi. I modelli architettonici, di vendita ed espositivi, nonché i modelli realizzati a scopo educativo possono essere comodamente creati da tecnologie ColorJet, SLA e FDM che utilizzano intonaco o diversi tipi di plastica. Le piccole macchine desktop che servono hobbisti e artisti sono solitamente basate sulla tecnologia FDM. SLS/SLM e SHS sono solitamente utilizzati quando gli oggetti devono essere realizzati con leghe metalliche e metalliche.
- Disponibilità della macchina da stampa 3D. Di solito, gli ordini per una particolare macchina vengono accodati e funzionano in modo “primo arrivato, primo servito”. Nelle regioni in cui le stampanti 3D sono difficilmente disponibili, questo fattore può essere di primaria importanza, prevalendo sul tipo di materiale.
- Disponibilità di materiale. La plastica è versatile, disponibile e, ad eccezione dei polimeri ad alte prestazioni, relativamente economica, mentre il metallo può essere più costoso.
- Costi di produzione per oggetto. Questi sono legati alla tecnologia utilizzata per la creazione di oggetti, al materiale utilizzato e alle esigenze di post-elaborazione. È già stato detto che, a differenza del casting, il ridimensionamento nella stampa 3D non sempre fa scendere il prezzo unitario. Il prezzo per oggetto comprende non solo i costi di fabbricazione, ma anche i costi di post-trasformazione (se necessario) nonché i costi sostenuti dalle misure per ridurre l’inquinamento ambientale. Tra le tecnologie PB comunemente utilizzate, SHS è una soluzione più orientata al budget rispetto a SLS in quanto l’acquisto e la manutenzione di una testa della stampante termica è generalmente meno costoso di una testa di stampante laser. Gli oggetti fabbricati da SHS sono quindi generalmente più economici di quelli realizzati da SLS e il processo può essere facilmente ridimensionato per ordini di piccole dimensioni.
- Rapidità di fabbricazione, compresa la post-elaborazione e il tempo per la coda degli ordini. I piccoli oggetti possono essere stampati in pochi minuti o ore. Il tempo per la stampa aumenta con le dimensioni degli oggetti a un’intera giornata e, in definitiva, con oggetti molto grandi, fino a diversi giorni, anche se quest’ultimo è raro. Anche i tempi di post-elaborazione possono essere un problema. Le tecnologie di estrusione in genere non necessitano di finitura, ma l’oggetto potrebbe aver bisogno di tempo per impostare e indurire. Gli oggetti realizzati da ColorJet hanno bisogno di tempo per l’asciugatura e l’impostazione. Le tecnologie a base di polvere hanno quasi sempre bisogno di tempo per la post-lavorazione e aumentano i costi e i tempi di produzione,
- Proprietà del prodotto finale (proprietà meccaniche, valore estetico)
L’inchiostro da stampa 3D in plastica può essere presente in molte varietà diverse con diverse proprietà meccaniche. A seconda dello scopo dell’uso dell’oggetto, le preferenze possono essere per la plastica (leggera e, allo stesso tempo, resistente, facilmente tinta, facilmente lucida, termo-e fotocurabile) o per il metallo (resistente, resistente ai raggi UV e al calore, la colorazione e la lucidatura possono aver bisogno di attrezzature e processi speciali).
Tra la pletora di varietà di plastica, sono disponibili diversi polimeri con diversa resilienza meccanica. Generalmente, la stampa SLA consente strutture finemente lucide con dettagli squisiti che sono, tuttavia, piuttosto fragili. Non è quindi adatto per applicazioni in cui la durata è di importanza cruciale. FDM produce oggetti significativamente più durevoli rispetto al contratto di servizio, ma ci sono diversi gradi di resilienza meccanica a seconda del materiale utilizzato. Generalmente, PVA, ABS e PLA sono inchiostri “commodity” per FDM. Questi sono relativamente economici, ma gli oggetti risultanti sono inclini alla curvatura. Anche gli oggetti stampati con PLA sono piuttosto fragili. Gli oggetti stampati in ABS sono fotosensibili. L’uso del poliuretano produce parti con un significativo grado di flessibilità. Il prossimo passo nella qualità FDM sono PC, PETG e DPI. Questi materiali sono utilizzati principalmente come materiali ingegneristici per la produzione di parti e utensili meccanici. PETG è anche sicuro per gli alimenti. Gli inchiostri FDM ad alta resistenza sono PEI e PEEK che vengono utilizzati per parti e dispositivi che devono presentare una resistenza molto elevata, come parti mobili e /o cuscinetti di deformazione e quando la stabilità termica è fondamentale. Tutti gli oggetti stampati in 3D potrebbero essere soggetti a delaminazione sotto stress, ma gli oggetti stampati peek mostrano un’eccellente adesione strato-strato e sono quindi molto resistenti. Tuttavia, è piuttosto costoso e, poiché il punto di fusione è superiore rispetto agli altri inchiostri FDM, la stampante deve avere la capacità di riscaldare l’ugello ad alte temperature.
Le forme di dosaggio dei farmaci stampate in 3D e le impalcature tissutali hanno requisiti specifici che sono generalmente soddisfatti con metodi di estrusione (in particolare l’estrusione semisolida come EXT) e alcune delle tecnologie a base di polvere (ma non queste che richiedono grandi quantità di energia radiante o infrarossa come SLS e SHS). Poiché lo spessore minimo dello strato per EXT è di quasi 1 mm, le strutture stampate sono più grossolane e meno dettagliate.
I metodi a base di polvere hanno un grado di risoluzione molto elevato e quindi conferiscono una migliore riproduzione dei dettagli fini. Ciò è particolarmente vero per SLS (tuttavia, funziona principalmente con polveri metalliche) ma MJF (funziona prontamente con la plastica) si confronta favorevolmente anche in termini di risoluzione.
Anche le strutture prodotte dalla maggior parte delle tecnologie PB sono durevoli (ad eccezione degli oggetti in gesso stampati con ColorJet) ma la porosità può compromettere le loro proprietà meccaniche. Quando quest’ultimo è un problema serio, SLM può essere una soluzione, a condizione che venga eseguita una corretta post-elaborazione.
Preoccupazioni ambientali (relative alla fabbricazione o alla post-lavorazione o alla biodegradabilità degli oggetti scartati).
Le tecnologie basate sull’estrusione e alcune delle tecnologie PB generano fumi di solventi. Le tecnologie basate sulla polvere generano grandi quantità di piccole particelle. Tutte queste hanno effetti dannosi potenziali significativi e devono essere filtrate e/o decontaminate.
Software comunemente usato per la stampa 3D
La stampa 3D utilizza dati raccolti in precedenza che sono stati memorizzati su un supporto di informazioni digitali. Nel corso della stampa 3D di un oggetto complesso, i cambiamenti momentanei nel modello di deposizione dello strato in corso sono dettati dalle informazioni di specifiche sezioni trasversali nel file digitale che rappresentano come esattamente la struttura deve apparire in questo particolare punto. Così, strutture con schemi semplici possono essere rappresentate da meno sezioni trasversali mentre i file digitali per strutture con schemi intricati dovrebbero contenere più sezioni trasversali, indicando dove e come la struttura viene alterata. Ogni sezione trasversale rappresenta un poligono chiuso e corrisponde a una diversa posizione lungo l’asse z. Le sezioni trasversali non devono sovrapporsi o intersecarsi e, nel migliore dei casi, devono essere senza vuoti in mezzo. Piccole discrepanze possono essere eliminate dal software senza alterazioni significative della forma e della struttura.
Le immagini della progettazione assistita dal computer (CAD) sono le più usate per la stampa 3D. Queste possono essere le convenzionali immagini DWG 2D generate da AutoCAD, anche se queste devono essere convertite in 3D dal software designato, per esempio, Sketchup Pro. Il formato di file di stereolitografia (Standard Tessellation Language, STL) è stato il primo ad essere designato specificamente per la produzione additiva. È stato sviluppato e adattato per l’uso negli anni ’80 da 3D Systems, una società fondata da Charles Hull, l’inventore della SLA. Oltre ad AutoCAD, i software CAD comunemente usati in grado di esportare o convertire i dati in formato STL sono Alibre, Mechanical Desktop, I-DEAS, SolidDesigner, ProE e altri. I convertitori online sono anche facilmente disponibili, come AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).
Le immagini generate da uno scanner 3D o dalla fotogrammetria di una tipica immagine digitale 2D (scattata da una fotocamera digitale) possono anche fare per la produzione additiva. A seconda dell’origine dei dati per l’oggetto, il risultato finale potrebbe essere più o meno fedele all’immagine iniziale. Le immagini CAD di solito si traducono in oggetti con errori significativamente inferiori rispetto ad altri tipi di dati digitali. Questi errori possono essere corretti in un secondo momento. Esistono molte marche diverse di software per la fotogrammetria, principalmente basate su Microsoft Windows (Zephyr3D, PhotoModeler, PhotoSynth e altri) ma alcuni possono utilizzare altri sistemi operativi come Linux e MacOS (ad esempio, Pix4D Mapper, Metashape, OpenDroneMap e altri). Un elenco dettagliato del software di fotogrammetria comunemente usato con le loro caratteristiche di base può essere visualizzato qui:
https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_photogrammetry_software
Sono disponibili anche strumenti online per la fotogrammetria, come il citato above AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).
Linee guida per la progettazione della stampa 3D
Per stampare un oggetto, se un file STL non è disponibile, deve essere es output da un software come AutoCAD o altri (vedi sopra). La maggior parte dei software di modellazione 3D professionali è proprietaria, ma è disponibile anche software libero, principalmente per scopi educativi per principianti sul campo e per hobbisti (FreeCAD,3D Slash, TinkerCAD, Vectary,SketchUp, Leopoly, Sculptris,Rhinoceros e altri). Il file STL risultante viene quindi utilizzato da un altro software ‘slicer’, ad esempio Repetier, OctoPrint,Z-Suite, Tinkerine Suite, Cura, PrusaSlicer, Simplify3D e altri per generare un file contenente serie di livelli sottili. Il file risultante viene utilizzato dall’host della stampante 3D per generare un oggetto 3D. Alcuni software slicer funzionano anche come host di stampanti, ad esempio Cura,3DPrinterOS, OctoPrint, MatterControl e altri. Mentre la maggior parte dei software di modellazione 3D professionali è solitamente autonomo, il software libero può essere disponibile come plug-in ed è molto più probabile che sia disponibile per sistemi operativi diversi da Windows.
I file STL contengono dati mesh grezzi basati su triangolazioni della superficie dei modelli CAD. Pertanto, la superficie di ogni sfaccettatura dell’oggetto è rappresentata da una mesh poligonale che deve essere conforme a un insieme di regole. Le regole di base sono quattro, vale a dire
- La regola “da vertice a vertice” – ogni triangolo deve condividere 2 vertici con i triangoli vicini;
- La regola della “mano destra” – i vertici devono essere elencati in senso antiorario;
- La regola del “puntamento verso l’esterno” – la direzione del vettore normale deve puntare verso l’esterno;
La ‘regola del tutto positivo’ – tutte le coordinate dei vertici del triangolo devono essere rappresentate da numeri positivi.
Un esempio può essere visto nella Fig. 9.
Figura 9. Una mesh poligonale che rappresenta un’immagine 3D di un delfino. Fonte: Chrschn, Public domain, via Wikimedia Commons.
I file STL possono memorizzare informazioni in codifica binaria o in codifica ASCII. I file in binario sono, generalmente, più piccoli e possono essere facilmente condivisi, mentre i file ASCII sono usati per leggere e controllare manualmente il file STL, per esempio, quando si testano nuove interfacce CAD.
Gli oggetti complessi possono essere una sfida per i file STL perché ci sono troppe superfici da prendere in considerazione nei calcoli. Inoltre, i primi file STL avevano proprietà molto limitate per rappresentare il colore, la texture, il materiale e la struttura interna (anche se questo è stato risolto in seguito). Alcuni tipi di software, come il prototipo AutoCAD, possono esportare in STL solo disegni di oggetti solidi. Le superfici non congiunte (per esempio, contenenti spazi vuoti o sovrapposizioni) sono difficili da elaborare o adattare nei file STL e non verrebbero stampate. Così, nel 2006 è stata rilasciata una versione migliorata dei formati STL che alla fine è stata trasformata in un altro formato di file CAD più versatile, il formato Additive Manufacturing File (AMF). Tuttavia, molte stampanti 3D usate oggi, specialmente quelle che lavorano in piccola scala, useranno i file STL.
I file AMF possono facilmente rappresentare la struttura interna usando la disposizione dei poligoni faccia-vertex e i triangoli curvi per definire un’unità discreta di volume di materiale. Volumi multipli possono essere specificati per un singolo oggetto. I file AMF contengono anche informazioni sul materiale, il colore e la texture dell’oggetto stampato o delle sue parti e l’ordine di stampa.
Jonathan Hiller, uno degli inventori del formato di file AMF ospita un sito dettagliato e facile da usare che fornisce software CAD o modellazione 3D e tutorial:
https://sites.google.com/site/jonhiller/software.
I disegni CAD architettonici gratuiti per il software di modellazione AutoCAD e 3D sono prontamente disponibili su Internet, ad esempio https://www.arcat.com/, https://www.tinkercad.com/, https://www.sketchup.com/ e altri. Un’immagine CAD 3D gratuita è presentata nella Fig. 10.
Figura 10. Un modello CAD 3D da utilizzare nella stampa 3D. Fonte: OKFoundryCompany from Richmond, USA, CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons.
File STL gratuiti, file di stampanti 3D e progetti di stampanti 3D sono disponibili per l’utilizzo da www.thingiverse.com, www.youmagine.com, www.myminifactory.com, https://library.zortrax.com/, https://www.cgtrader.com/, https://cults3d.com/en, https://www.youmagine.com/ https://www.turbosquid.com/Search/3D-Models/free/stle altrisiti.
Il software dell’editor STL è disponibile per più origini, ad esempio https://www.meshlab.net/, https://www.blender.org/, https://www.freecadweb.org/, https://www.3dslash.net/index.php, https://www.sketchup.com/e altre.
Test: LO2 Livello basale
Referenze
- Kodama H. 1981. Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer. Rev Sci Instrum, 52(11): 1770–73.
- Melchels FP, Feijen J, Grijpma DW. 2009. A poly(D,L-lactide) resin for the preparation of tissue engineering scaffolds by stereolithography. Biomaterials, 30(23-24):3801-9.
- Shelby A. Skoog, Peter L. Goering, Roger J. Narayan. 2014. Stereolithography in tissue engineering. J Mater Sci Mater Med, 25: 845–56.
- Alhnan A, Okwuosa M, Chijioke T, et al. 2016. Emergence of 3D Printed Dosage Forms: Opportunities and Challenges. Pharm Res, 33 (8): 1817-32.
- Goyanes A, Buanz AB, Basit AW, et al. 2014. Fused-filament 3D printing (3DP) for fabrication of tablets. Int J Pharm. 2014;476(1–2):88–92.
- Wang J, Shaw LL, Cameron TB. 2006. Solid Freeform Fabrication of Permanent Dental Restorations via Slurry Micro-Extrusion. J Am Ceram Soc, 89 (1): 346–9.
- Khaled SA, Burley JC, Alexander MR, et al. 2014. Desktop 3D printing of controlled release pharmaceutical bilayer tablets. Int J Pharm, 461(1–2):105–11.
- Azad MA, Olawuni D, Kimbell G, et al. 2020. Polymers for Extrusion-Based 3D Printing of Pharmaceuticals: A Holistic Materials-Process Perspective. Pharmaceutics, 12(2):124.
- Chua CK, Leong KF, An J. 2014. 1 – Introduction to rapid prototyping of biomaterials. Woodhead Publishing.
- Sun Y, Soh S. 2015. Printing Tablets with Fully Customizable Release Profiles for Personalized Medicine. Adv Mater, 27(47):7847-53.
- Edelmann A, Dubis M, Hellmann R. 2020. Selective Laser Melting of Patient Individualized Osteosynthesis Plates-Digital to Physical Process Chain. Materials (Basel), 13(24):5786.
- Tan W, Gao C, Feng P, et al. 2021. Dual-functional scaffolds of poly(L-lactic acid)/nanohydroxyapatite encapsulated with metformin: Simultaneous enhancement of bone repair and bone tumor inhibition. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 120:111592.
- Hiller J, Lipson H. 2009. STL 2.0: A Proposal for a Universal Multi-Material Additive Manufacturing File Format”. Solid Freeform Fabrication Symposium (SFF’09), Aug 3-5 2009, Austin, TX, USA.
- Kodama H. 1981. Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer. Rev Sci Instrum, 52(11): 1770–73.
- Melchels FP, Feijen J, Grijpma DW. 2009. A poly(D,L-lactide) resin for the preparation of tissue engineering scaffolds by stereolithography. Biomaterials, 30(23-24):3801-9.
- Shelby A. Skoog, Peter L. Goering, Roger J. Narayan. 2014. Stereolithography in tissue engineering. J Mater Sci Mater Med, 25: 845–56.
- Alhnan A, Okwuosa M, Chijioke T, et al. 2016. Emergence of 3D Printed Dosage Forms: Opportunities and Challenges. Pharm Res, 33 (8): 1817-32.
- Goyanes A, Buanz AB, Basit AW, et al. 2014. Fused-filament 3D printing (3DP) for fabrication of tablets. Int J Pharm. 2014;476(1–2):88–92.
- Wang J, Shaw LL, Cameron TB. 2006. Solid Freeform Fabrication of Permanent Dental Restorations via Slurry Micro-Extrusion. J Am Ceram Soc, 89 (1): 346–9.
- Khaled SA, Burley JC, Alexander MR, et al. 2014. Desktop 3D printing of controlled release pharmaceutical bilayer tablets. Int J Pharm, 461(1–2):105–11.
- Azad MA, Olawuni D, Kimbell G, et al. 2020. Polymers for Extrusion-Based 3D Printing of Pharmaceuticals: A Holistic Materials-Process Perspective. Pharmaceutics, 12(2):124.
- Chua CK, Leong KF, An J. 2014. 1 – Introduction to rapid prototyping of biomaterials. Woodhead Publishing.
- Sun Y, Soh S. 2015. Printing Tablets with Fully Customizable Release Profiles for Personalized Medicine. Adv Mater, 27(47):7847-53.
- Edelmann A, Dubis M, Hellmann R. 2020. Selective Laser Melting of Patient Individualized Osteosynthesis Plates-Digital to Physical Process Chain. Materials (Basel), 13(24):5786.
- Tan W, Gao C, Feng P, et al. 2021. Dual-functional scaffolds of poly(L-lactic acid)/nanohydroxyapatite encapsulated with metformin: Simultaneous enhancement of bone repair and bone tumor inhibition. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 120:111592.
- Hiller J, Lipson H. 2009. STL 2.0: A Proposal for a Universal Multi-Material Additive Manufacturing File Format”. Solid Freeform Fabrication Symposium (SFF’09), Aug 3-5 2009, Austin, TX, USA.
„L’applicazione della stampa 3D e ICT per prodotti e processi verdi”
Livello avanzato
Il 3D bioprinting è una tecnologia in evoluzione con applicazioni in tutta la gamma completa della ricerca biomedica.
Aree di applicazione del bioprinting in 3D
Il 3D bioprinting è una tecnologia in evoluzione con applicazioni in tutta la gamma completa della ricerca biomedica. Il metodo che utilizza un substrato biologico o “bioink”, fatto di componenti strutturali, mezzi di crescita e cellule, può produrre su apparecchiature di stampa 3D strutture biologiche che imitano da vicino la struttura delle cellule negli organismi viventi. Usando lo stesso modello di produzione della stampa 3D tradizionale, un certo numero di fette 2D sono divise da un modello 3D da un computer per stampare una composizione biologica corretta strato per strato con una disposizione precisa di tessuti e cellule. L’approccio di bioprinting 3D dà l’opportunità di risolvere i problemi nello sviluppo di farmaci, nella medicina rigenerativa, nella donazione di organi e nel trattamento del cancro. Questa tecnologia emergente offre una grande precisione sul posizionamento spaziale di cellule, proteine, DNA, particelle di farmaci, fattori di crescita e sostanze biologicamente attive per guidare una migliore formazione dei tessuti. Questa potente tecnologia sembra essere più promettente per migliorare la fabbricazione dei tessuti verso costrutti di tessuto fisiologicamente rilevanti, modelli di tessuto, tessuti e organi e modelli di organi-su-un chip per la medicina e la farmaceutica.
La tecnologia del bioprinting ha un’ampia applicazione in varie aree come l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa, i trapianti e le cliniche, lo screening dei farmaci e i saggi ad alta produttività e la ricerca sul cancro (Fig. 1). Il bioprinting per l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa è stato studiato per più di un decennio, e sono stati prodotti costrutti e scaffold anatomicamente corretti per vari tipi di tessuto: dai tessuti connettivi ed epiteliali ai tessuti muscolari e nervosi. Con il suo grande vantaggio nel modellare e posizionare con precisione più tipi di cellule, il bioprinting ha superato una delle principali carenze delle tecniche tradizionali di fabbricazione degli scaffold e ha facilitato la costruzione di tessuti simili a quelli nativi con un microambiente eterocellulare. Anche se la maggior parte degli sforzi è stata indirizzata verso la scienza fondamentale dietro le principali tecniche di bioprinting come il bioprinting basato su laser, gocce ed estrusione, una notevole attenzione è stata data recentemente al bioprinting per la produzione di tessuti funzionali. In particolare, un lavoro considerevole è stato dedicato al bioprinting per il trapianto. Poiché sono stati fatti ulteriori progressi nei biomateriali, nelle tecnologie cellulari e di trapianto, il bioprinting si tradurrà dal banco al letto del paziente quando sarà autorizzato per l’uso umano e avrà una moltitudine di vantaggi nelle sale operatorie nel prossimo futuro. Prima di passare alla pratica clinica, il bioprinting ha già fatto un grande salto nell’uso farmaceutico perché non richiede alcuna approvazione normativa e c’è attualmente un mercato emergente del bioprinting per la fabbricazione di tessuti per la sperimentazione di farmaci e saggi ad alta produttività. Modelli di tessuto bio-stampati (ad esempio il fegato), fabbricati da più tipi di cellule e che facilitano un ambiente fisiologico eterocellulare complesso, sono stati utilizzati nello screening dei farmaci. Inoltre, il bioprinting è stato recentemente applicato nella ricerca sul cancro per studiare la patologia del cancro, la crescita e le metastasi in un microambiente fisiologicamente rilevante. Qui, viene presentata una revisione completa delle aree di applicazione della tecnologia di bioprinting e viene presentata una discussione approfondita sui tipi di tessuto bio-stampati con successo per l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa, i trapianti e le cliniche, lo screening dei farmaci e i saggi ad alta produttività, e la ricerca sul cancro. Per ogni area di applicazione, vengono discussi i vantaggi e i limiti delle tecnologie esistenti.
Figura 1. Aree di applicazione della tecnologia di bioprinting
Ingegneria tissutale e medicina rigenerativa
Il bioprinting di organi funzionali a livello clinico rimane elusivo perché ci sono diverse sfide come l’integrazione della rete vascolare da arterie e vene fino ai capillari, la combinazione di vari tipi di cellule per ricapitolare la complessa biologia dell’organo e la limitata integrità strutturale e meccanica e la funzionalità a lungo termine. Nonostante queste sfide, una grande varietà di tessuti è stata bio-stampata con successo come tessuti sottili o cavi, per esempio i vasi sanguigni, o tessuti che non hanno bisogno di vascolarizzazione come la cartilagine.
Tessuto osseo
L’osso è un tessuto essenziale del corpo e un componente chiave del sistema muscolo-scheletrico. Generalmente, supera l’insulto e la degenerazione grazie alle sue capacità altamente rigenerative. Tuttavia, in alcuni casi l’osso non riesce a guarire correttamente ed è necessario un trattamento. Le terapie standard esistenti hanno delle debolezze significative. Le innovazioni nel bioprinting e nell’ingegneria dei tessuti sono molto promettenti per migliorare sia la qualità che l’efficacia delle terapie ricostruttive dell’osso. Il bioprinting, teoricamente, non si verifica ancora perché le impalcature riassorbibili personalizzate non sono attualmente costruite con fattori di crescita o cellule autologhe. Tuttavia, le ultime indagini hanno rapidamente migliorato le tecniche di stampa 3D e i materiali stampabili in 3D con proprietà finemente sintonizzate per ricostruire i difetti specifici del paziente. Questa ricerca sembra condurre verso un futuro di impalcature riassorbibili che incorporano fattori di crescita appropriati e cellule osteoprogenitrici. Il tempo rivelerà se queste terapie diventeranno ampiamente disponibili e standard di cura.
In uno studio recente, alcuni autori hanno usato una bio-stampante termica a getto d’inchiostro per costruire impalcature di poli(etilenglicole) dimetacrilato (PEGDMA). Nanoparticelle di vetro bioattivo e idrossiapatite (HA) sono state utilizzate per la co-stampa di cellule staminali mesenchimali umane derivate dal midollo osseo (hMSCs) sotto polimerizzazione simultanea. Questo approccio ha permesso una distribuzione uniforme delle hMSCs rispetto alle hMSCs pipettate manualmente, che si accumulavano sul fondo dell’impalcatura a causa della gravità. Le strutture biostampate che incapsulavano le hMSC e l’HA hanno esibito la più alta vitalità cellulare, la produzione di collagene e l’attività del fosfato alcalino con un modulo di compressione aumentato dopo 21 giorni di cultura in vitro. Il bioprinting di particelle di HA è stato effettuato anche per scopi di bioprinting in situ, dove un sistema di bioprinting basato sul laser è stato impiegato per depositare nanoparticelle di HA nei difetti della calvaria del topo.
In un altro studio, sono stati bio-stampati costrutti di tessuto eterocellulare fatti di Matrigel™ e idrogel di alginato. Cellule progenitrici endoteliali e cellule stromali multipotenti sono state bio-stampate in modo spazialmente controllato. I costrutti ottenuti sono stati impiantati per via sottocutanea in topi immunodeficienti. Integrando microparticelle osteoinduttive di fosfato di calcio bifasico, le cellule stromali multipotenti sono state differenziate in un lignaggio osteogenico e hanno accelerato la formazione ossea in 6 settimane. Oltre ai materiali osteoinduttivi, l’aggiunta di fattori di crescita è anche cruciale nella differenziazione delle cellule staminali nell’ingegneria del tessuto osseo. È stato dimostrato che l’aggiunta della proteina morfogenetica ossea (BMP)-2 ha un ruolo importante per il destino delle cellule staminali. Utilizzando la bio-stampa a getto d’inchiostro di BMP-2 modellata su coverslips rivestiti di fibrina, sono state bio-stampate cellule staminali di derivazione muscolare primaria. È stato dimostrato, tuttavia, che erano differenziate verso il lineage osteogenico sul modello anche se sono state trattate con condizioni di differenziazione miogenica.
Tessuto cartilagineo
Negli ultimi due decenni sono stati fatti progressi significativi non solo nel campo dell’ingegneria del tessuto osseo ma anche in quello della cartilagine. Di conseguenza, c’è un vero potenziale che le tecniche per rigenerare piuttosto che sostituire le ossa e le articolazioni danneggiate o malate possano un giorno raggiungere l’ospedale. Tuttavia, diverse sfide chiave devono ancora essere affrontate prima che questo diventi una realtà. Queste includono principalmente la vascolarizzazione quando è richiesta la riparazione di grandi difetti ossei. Altre questioni importanti sono la necessità di utilizzare gradienti complessi di ingegneria per la rigenerazione dell’interfaccia osso-tessuto molle e ricapitolare l’architettura zonale stratificata presente in molti tessuti adulti come la cartilagine articolare. Tuttavia, gli approcci di ingegneria cartilaginea esistenti hanno un grande potenziale per la costruzione precisa di cellule e biomateriali con modelli sofisticati. Possono imitare i tessuti nativi con cellule differenziate a livello zonale e la struttura della matrice extracellulare (ECM).
È stato anche tentato il bioprinting basato sul laser di condrociti differenziati da cellule staminali. Questa strategia si basa su una tecnica di biofabbricazione assistita dal computer con l’assistenza del LIFT. Sono state bio-stampate con successo cellule staminali mesenchimali (MSC) derivate dal midollo osseo con elevata vitalità. Hanno mantenuto la loro funzionalità e la capacità di differenziazione in lineages osteogenici e condrogenici. Il bioprinting a getto d’inchiostro è stato applicato anche all’ingegneria dei tessuti cartilaginei e alla rigenerazione dei difetti cartilaginei. La stampante da tavolo HP è stata modificata e sono stati bio-stampati condrociti umani caricati in idrogel PEGDMA. Così, il costrutto cartilagineo fabbricato aveva proprietà meccaniche e composizione biochimica vicine alla cartilagine nativa. Più recentemente è stato creato un metodo di bioprinting ibrido per fabbricare costrutti di tessuto cartilagineo meccanicamente migliorati combinando tecniche di bioprinting 3D ed elettrospinning. In quello studio, è stato mostrato l’elettrospinning di fibre di policaprolattone (PCL) insieme al bioprinting a getto d’inchiostro di condrociti elastici di coniglio in idrogel di fibrina-collagene.
Nonostante il grande successo nel bioprinting del tessuto cartilagineo, la fabbricazione di tessuti di cartilagine articolare stratificati zonalmente con diverse proprietà strutturali, biomeccaniche e biologiche è ancora una sfida e sono necessari ulteriori progressi per produrre costrutti di tessuto cartilagineo articolare con differenziazione zonale che includa fibre di collagene più orizzontali e sottili con alta densità cellulare nella zona superficiale, e fibre di collagene relativamente verticali e più spesse con meno densità cellulare nelle zone più profonde.
Tessuto cardiaco
Le malattie cardiovascolari sono la prima causa di morte nel mondo. A questo proposito, l’ingegneria dei tessuti cardiaci e delle valvole cardiache è della massima importanza. Nell’ultimo decennio sono stati fatti progressi significativi nello studio delle proprietà native del cuore per la rigenerazione e la riparazione cardiaca utilizzando una varietà di strategie, compresi i concetti di biomateriali, micro e nanotecnologie e decellularizzazione. Tuttavia, la principale difficoltà nell’ingegneria dei tessuti cardiaci è incorporare le strutture complesse ed eterogenee del tessuto micro e macro cardiaco per diversi tipi di cellule per aderire, proliferare e infine riparare e rimodellare le parti danneggiate. 3D bioprinting è apparso come una strategia per affrontare questa sfida, fornendo la tecnologia per costruire ponteggi ad alta risoluzione con caratteristiche biochimiche e meccaniche eterogenee. Tuttavia, sono stati fatti tentativi limitati nel bioprinting di modelli di tessuto cardiaco. È stato dimostrato il bioprinting basato sull’estrusione di sferoidi di tessuto che comprendono cellule endoteliali vascolari umane (HUVECs) e cellule cardiache ottenute da tubi miocardici di embrioni di pollo. Un altro approccio è stato basato sul bioprinting di un costrutto di tessuto cardiaco in una forma a metà cuore con ventricoli collegati usando il bioprinting a getto d’inchiostro. Laser-induced forward-transfer (LIFT) è stato utilizzato anche per modellare HUVECs e hMSCs in un modello geometricamente definito su urea di poliestere uretano e i campioni prodotti sono stati trapiantati nella zona infartuata di cuori di ratto dopo legatura LAD. Otto settimane dopo il trapianto, è stata osservata una maggiore formazione di vasi rispetto alle cellule bio-stampate in modo casuale come gruppi di controllo e la patch di miocardio risultante ha fornito un notevole miglioramento funzionale.
Un’altra direzione importante è l’ingegneria delle valvole cardiache perché non possiedono capacità di rigenerazione e le valvole cardiache disfunzionali, se il danno o la malattia è dannoso, devono essere sostituite da protesi equivalenti meccaniche o biologiche. Tuttavia, la fabbricazione di tali valvole sostitutive è limitata dalla trombogenicità e dalla calcificazione. Nonostante il suo importante ruolo nel sistema cardiovascolare, solo una quantità limitata di lavoro è stata perfezionata nel bioprinting delle valvole cardiache. Il primo bioprinting di una valvola cardiaca è stato ottenuto utilizzando una bioprinter a doppia testa modificata da una stampante Fab@Home. In un altro studio, il bioprinting a doppio ugello di idrogel composito di alginato-gelatina è stato utilizzato per la costruzione di sottili dischi di idrogel e la biostampa spaziale di cellule muscolari lisce del seno della radice aortica (SMC) e cellule interstiziali della valvola aortica (VIC). In uno studio recente, lo stesso gruppo ha eseguito bioprinting di idrogel compositi utilizzando acido ialuronico metacrilato (Me-HA) e gelatina metacrilata (Me-Gel) caricati con cellule interstiziali valvolari aortiche umane (HAVICs). I campioni ottenuti sono stati progettati a forma di valvola a tre cuspidi e le cellule bio-stampate con una maggiore concentrazione di Me-Gel hanno mostrato una migliore diffusione.
Tessuto epatico
Il fegato è la più grande ghiandola del corpo umano. Gioca un ruolo chiave nel metabolismo, nella produzione della bile, nella disintossicazione e nella regolazione dell’acqua e degli elettroliti. Le tossine o i farmaci che il sistema gastrointestinale assorbe raggiungono il fegato prima di entrare nel flusso sanguigno. Le malattie del fegato sono altre cause principali di morte in tutto il mondo. Quindi, un modello di tessuto epatico in vitro che simula le funzioni principali del fegato può essere una piattaforma importante per studiare le malattie del fegato e sviluppare nuovi farmaci. Attualmente, le tecnologie di bioprinting 3D di recente sviluppo hanno la capacità di assemblare modelli di tessuto epatico in vitro sia su impalcature statiche che in maniera dinamica su fegato-su-chip.
Il bioprinting di cellule staminali pluripotenti umane indotte (hiPSCs) è stato eseguito per la prima volta attraverso la stimolazione di hiPSCs e la loro differenziazione in epatociti per l’ingegneria dei micro-organi epatici. Inoltre, per il bioprinting delle strutture del tessuto epatico, le cellule immortali del carcinoma epatico HepG2 sono state biostampate in modelli di tessuto più grandi.
Infatti, il 3D-bioprinting di impalcature di tessuto epatico e la costruzione di fegato-su-chip può aiutare significativamente per lo sviluppo di modelli di tessuto epatico in vitro. Impiegando la tecnologia del bioprinting 3D nella fabbricazione del fegato-su-un-chip, la costruzione di modelli di tessuto epatico in vitro diventerà più efficiente e conveniente. Pertanto, sarà fornita una potente piattaforma per lo screening dei farmaci e la determinazione del meccanismo molecolare alla base delle malattie del fegato.
Tessuto polmonare
Il bioprinting 3D aumenta la possibilità di creare in modo riproducibile complesse biostrutture su macro e micro-scala utilizzando più tipi di cellule diverse. Questa è una strategia promettente per la fabbricazione di organi cavi multistrato, che è una grande sfida per le tecniche di ingegneria dei tessuti più tradizionali. Attualmente, il progresso principale per il sistema polmonare è stato limitato alla trachea. Le tecniche disponibili per la costruzione di innesti tracheali sono basi preziose per il bioprinting del polmone intero. In generale, la maggior parte degli approcci di bioprinting 3D per la produzione tracheale combinano idrogel biologici seminati con cellule che circondano una robusta struttura polimerica.
Generalmente, il polmone è classificato chirurgicamente come un organo solido. Tuttavia, ai fini dell’ingegneria dei tessuti è più utile considerare l’intero albero respiratorio come un insieme ramificato di tubi. Così, i progressi e le difficoltà rilevate nel bioprinting di altri organi tubolari possono aiutare nel bioprinting del polmone. I tentativi di bioprinting del polmone sono nuovi e ci sono solo pochi tentativi che studiano la sintesi di un modello di tessuto polmonare. È stato recentemente realizzato il bioprinting di un modello di barriera aria-sangue in vitro attraverso lo sviluppo di un costrutto di tessuto stratificato zonalmente in pochi strati. In primo luogo, è stato biostampato uno strato sottile. Esso serve come membrana basale. Poi è stato biostampato un singolo strato di cellule endoteliali facilitando l’attaccamento delle cellule sullo strato successivo. In seguito, un nuovo strato è stato aggiunto sopra il costrutto precedentemente assemblato seguito dalla biostampa di un singolo strato di cellule epiteliali.
Lavorando verso una geometria più complessa, alcuni autori hanno sviluppato un modello di polmone distale con spazi vascolari e delle vie aeree. Hanno usato il poli (etilenglicole) di diacrilato e una stampante stereolitografica e sono riusciti a creare un “modello di respirazione” con ventilazione di aria corrente e flusso sanguigno. Applicando questo modello, hanno studiato il trasporto polmonare misurando l’ossigenazione del sangue che entra ed esce dal costrutto. Anche se la vascolarizzazione stampata era limitata a 300 µm, è comunque un grande passo verso la creazione di tessuti polmonari clinicamente rilevanti.
Tessuto neurale
Il sistema nervoso umano è una rete fisiologica estremamente complessa che è intrinsecamente difficile da analizzare a causa della difficoltà di ottenere campioni primari. Una delle potenti alternative per studiare lo sviluppo del sistema nervoso, le malattie e i processi rigenerativi sono i modelli animali. Tuttavia, non sono in grado di affrontare alcune caratteristiche specie-specifiche del sistema nervoso umano. Sono stati sviluppati modelli in vitro sempre più sofisticati del sistema nervoso umano, ma richiedono ancora ulteriori progressi per simulare meglio le caratteristiche microambientali e cellulari. Il campo dell’ingegneria dei tessuti neurali sta rapidamente implementando nuovi strumenti che permettono ai ricercatori di monitorare con precisione le condizioni di coltura in vitro e di modellare meglio la formazione, la funzione e la riparazione del sistema nervoso.
Tuttavia, il lavoro fatto nel quadro del bioprinting per la costruzione di tessuto neurale è piuttosto scarso. Alcuni di essi si sono basati sul bioprinting di cellule C17.2 su uno strato di collagene accanto a un disco di fibrina caricato con VEGF. Utilizzando questo modello, è stato analizzato l’effetto del fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF) sulla proliferazione e la migrazione delle cellule staminali neurali murine (C17.2). Lo studio ha dimostrato che le cellule neurali sono migrate verso il gel di fibrina con rilascio di VEGF e hanno proliferato con successo. Recentemente, altre indagini hanno presentato la biostampa di un idrogel poliuretanico termoresponsivo con rigidità regolabile e capacità di gelificazione a 37°C senza la necessità di un reticolante. L’efficacia del bioinchiostro è stata raggiunta caricandolo con cellule staminali neurali e iniettandolo in un modello di lesione neurale di embrione di zebrafish. I risultati ottenuti hanno rivelato che il gel iniettato ha salvato la funzione del sistema nervoso danneggiato in 6 giorni.
È stato utilizzato anche un approccio senza scaffold, dove un pellet di cellule di Schwann (SC) e di cellule staminali del midollo osseo (BMSC) sono state estruse in un agarosio stampato in 3D. Dopo l’aggregazione delle cellule nell’agarosio si è formato un innesto di tessuto nervoso con tre lumi in ciascuno. Gli innesti costruiti sono stati poi impiantati nei topi, e sono state valutate la loro istologia e funzionalità. Il numero di campioni era limitato per trarre una conclusione definitiva sulle prestazioni degli innesti biostampati in 3D rispetto a quelli in collagene disponibili in commercio. Tuttavia, il caso presentato ha dimostrato una prova di concetto per gli innesti nervosi bioprinting
Tessuto del pancreas
Lo studio e il trattamento delle malattie del pancreas, come il diabete e il cancro del pancreas, è ostacolato dal limitato accesso al tessuto pancreatico in vivo. Tuttavia, i modelli tridimensionali (3D) di tessuto, che imitano accuratamente l’organo nativo, hanno un grande potenziale nelle applicazioni biomediche, fornendo piattaforme efficaci per studiare lo sviluppo e l’omeostasi dei tessuti e per simulare le malattie nei test farmaceutici. Sfortunatamente, le cellule β primarie del pancreas non sopravvivono facilmente in vitro e solo pochi tentativi hanno avuto luogo per differenziare le cellule β da cellule staminali umane. A questo proposito, la rigenerazione del tessuto del pancreas è principalmente esemplificata nella misura in cui β-cellule da linee di topi o cellule di insulinoma sono state utilizzate per produrre isolotti pancreatici. Una quantità limitata di lavoro è stata fatta nel contesto del bioprinting per la fabbricazione di tessuto pancreatico. Recentemente, isolotti umani e di topo, così come cellule β di insulinoma INS1E di ratto, sono stati incapsulati all’interno di idrogel di alginato o alginato-gelatina e biostampati in scaffold a doppio strato. Inoltre, un lavoro recente ha dimostrato la microfabbricazione di filamenti di tessuto senza scaffold (con forte espressione di insulina) per la biostampa basata sull’estrusione, dove i filamenti di tessuto erano costituiti da fibroblasti di ratto e insulinoma TC-3 β-cellule di topo nel nucleo e nel guscio, rispettivamente. È stato proposto un approccio innovativo che comprende l’uso di filamenti di tessuto per lo scale-up del processo di bioprinting del tessuto.
Questo tentativo sperimentale nel campo tecnologico avanzato del bioprinting aprirà la strada verso nuove opportunità tecnologiche di crescita di tessuti e organi funzionali in laboratorio. Ci si aspettava che la conoscenza e i modelli generati dalla ricerca nel campo del bioprinting non solo stimolassero importanti sviluppi tecnologici nell’ingegneria dei tessuti, ma aprissero anche possibilità radicalmente nuove in medicina, come lo studio di malattie pancreatiche ex vivo in tessuti fabbricati, lo sviluppo di nuovi farmaci e, possibilmente, la sostituzione di tessuti feriti o malati.
Tessuto cutaneo
La pelle è la copertura protettiva più esterna del corpo umano ed è in contatto diretto con l’ambiente esterno. Questo la rende altamente vulnerabile alle lesioni. I difetti della pelle o le ferite possono derivare da traumi, malattie della pelle, ustioni o rimozione della pelle durante la chirurgia. Tali condizioni richiedono interventi terapeutici urgenti per riparare la struttura e la funzione della pelle e consentire la normale mobilità del paziente. Inoltre, l’esistenza di ferite può portare alla contaminazione batterica e alle relative complicazioni se non viene trattata immediatamente. Inoltre, anche le deformità minori possono creare disagio psicologico sugli individui colpiti, specialmente sui bambini. Attualmente, la migliore alternativa di ingegneria dei tessuti cutanei è l’uso di autotrapianti. Tuttavia, esistono delle limitazioni che includono la quantità e la dimensione degli innesti disponibili, la creazione di una ferita secondaria e altri rischi. L’impiego di altri tipi di innesti cutanei come gli allotrapianti e possibilmente gli xenotrapianti sono associati a rischi di reazioni immunitarie e di trasmissione di malattie, oltre ad alcune questioni etiche e culturali. C’è anche la possibilità di utilizzare materiali di medicazione delle ferite come quelli basati su polimeri o le loro combinazioni con altre sostanze. Tuttavia, non sono vivi e difficilmente possono essere cellularizzati e sostituiti da tessuto nativo. A questo proposito, l’ingegneria tissutale mantiene grandi promesse per migliorare il trattamento dei difetti della pelle, ma si dovrebbero trovare soluzioni per le sfide come lo sviluppo dell’architettura multistrato della pelle nativa e delle reti vascolari. Sono già state proposte alcune soluzioni in cui oltre al biomateriale, vengono utilizzate cellule viventi, segnali biologici o chimici allo scopo di formare una pelle funzionale. Tuttavia, tali metodi convenzionali di ingegneria tissutale soffrono di diversi problemi come la distribuzione non omogenea delle cellule, la mancata integrazione e vascolarizzazione del costrutto al momento del suo impianto, il successivo rigetto del biomateriale impiantato insieme alla pelle formata. Anche se alcuni prodotti di ingegneria tissutale sono sul mercato, si incontrano molti fattori limitanti e uno dei principali e critici per il successo clinico è la vascolarizzazione attraverso il sostituto della pelle.
Una varietà di approcci di ingegneria tissutale sono stati utilizzati nella costruzione del tessuto cutaneo e sono stati creati diversi sostituti tissutali tra cui l’innesto cutaneo autologo a spessore diviso (gold standard), gli allotrapianti, i sostituti dermici acellulari e i prodotti commerciali cellularizzati simili agli innesti. La bio-stampa di tessuto cutaneo è stata presentata utilizzando una bio-stampante a otto canali basata su valvole, dove un costrutto di tessuto a 13 strati è stato bio-stampato utilizzando idrogel di collagene. I cheratinociti sono stati biostampati sopra strati alternati di fibroblasti del prepuzio umano e strati di collagene acellulare. I costrutti risultanti hanno esibito cellule densamente imballate negli strati dell’epidermide in contrapposizione al derma con bassa densità di cellule e meno deposizione di ECM. Oltre al bioprinting basato sulle gocce, anche il bioprinting basato sul laser è stato applicato per la bioproduzione di sostituti del tessuto cutaneo. In uno studio recente è stato analizzato l’effetto della biostampa di cellule endoteliali all’interno di sostituti cutanei sulla formazione di macrovasculature durante il rimodellamento di nuovi tessuti. L’approccio comprendeva l’incapsulamento di fibroblasti dermici umani neonatali e cheratinociti epidermici (NHEKs) nel collagene. Successivamente è stato steso lo strato di derma seguito dal patterning delle cellule endoteliali microvascolari dermiche umane (HMVECs) sullo strato di derma del costrutto. Il processo è stato completato avvolgendo lo strato di fibrina con NHEKs caricate di collagene. Poi, i sostituti cutanei prodotti sono stati impiantati sulla dorsa dei topi e confrontati con i sostituti cutanei disponibili in commercio come controllo. I risultati ottenuti hanno mostrato che le HMVEC biostampate formavano microvasi e i costrutti impiantati generavano contrazione rispetto ai gruppi di controllo. Inoltre, in altri studi è stato dimostrato il bioprinting in situ di sostituti cutanei stratificati alternando strati di fibrinogeno-collagene e trombina caricati con cellule staminali derivate dal fluido amniotico (AFS). Con questo approccio, i sostituti cutanei sono stati bio-stampati in 3D direttamente su ferite a tutto spessore su maiali e hanno riparato la pelle nativa più strettamente dei gruppi di controllo. Nonostante gli sforzi nel bioprinting del tessuto cutaneo, la biocostruzione di sostituti della pelle che virtualmente simulano la pelle nativa è ancora una sfida perché l’integrazione delle ghiandole sudoripare e dei follicoli piliferi è rimasta sfuggente.
Tessuto vascolare
La tecnologia di stampa tridimensionale (3D) è diventata rapidamente da una tecnologia futuristica a una scienza promettente che si ritiene possa rivoluzionare la pratica clinica rendendo disponibili attrezzature personalizzate, modelli di organi per le pratiche chirurgiche, parti di ricambio di organi e farmaci moderni. Anche se originariamente questa tecnologia era destinata a fornire modelli chirurgici e prototipi, gli scienziati hanno rapidamente avanzato la tecnologia per produrre costrutti di tessuto per la medicina rigenerativa. Tuttavia, l’implementazione su larga scala è stata ancora limitata a causa della complessità anatomica, della diversità compositiva (cellulare ed extracellulare) e della vascolarizzazione dei tessuti nativi.
La sintesi del tessuto vascolare è stata eseguita da diversi approcci di bioprinting tra cui estrusione, droplet e bioprinting basato sul laser. Nel bioprinting basato sull’estrusione, è stato utilizzato un ampio spettro di tecniche di estrusione. Alcuni scienziati usano l’estrusione con ugello coassiale, dove gli idrogel tra cui l’alginato di sodio e il chitosano sono stati biostampati direttamente in forma tubolare con cellule incapsulate. Durante il flusso coassiale (core-shell), il reticolante espulso (che scorre attraverso il nucleo) entra in contatto con la soluzione di idrogel precursore (che scorre attraverso il guscio), e accelera la gelificazione e la formazione di costrutti tubolari. Questo approccio facilita il bioprinting diretto di strutture vascolari in modo pratico. Ci sono anche altre strategie dirette di bioprinting del tessuto vascolare, come il bioprinting di gocce di idrogel carichi di cellule strato per strato usando il bioprinting a getto d’inchiostro. Utilizzando la costruzione dal basso verso l’alto, il bioprinting a getto d’inchiostro ha permesso la costruzione di tubi ramificati in direzione orizzontale e verticale. Un approccio correlato è stato anche effettuato usando il bioprinting basato sul laser. In tutti gli studi sopra menzionati, sono state utilizzate tecniche basate su impalcature. Tuttavia, alcune indagini sono basate su un approccio senza scaffold nel bioprinting dei tessuti vascolari, dove gli sferoidi di tessuto sono stati fabbricati uno per uno e auto-assemblati in unità di tessuto più grandi.
Sebbene la sfera del 3D bioprinting abbia portato enormi progressi nella produzione di strutture vascolari con una solida integrità strutturale e funzionale, si può ancora osservare che la costruzione di costrutti di tessuto vascolare e vascolarizzato clinicamente rilevanti è ancora lontana nel futuro. Sono necessarie invenzioni innovative che migliorino la risoluzione e ottengano costrutti più accurati dal punto di vista anatomico, consentendo allo stesso tempo il ridimensionamneto dei tessuti bio-stampati per fornire potenziali soluzioni. Progressivamente, ci si può aspettare che la ricerca indipendente su materiali e bioinchiostri cellulari per la vascolarizzazione possa cedere il posto ad approcci più integrati e olistici per lo sviluppo di bioprinters per la sintesi di tessuti vascolarizzati.
Altri tipi di tessuto
Oltre ai tipi di tessuto descritti, alcuni scienziati stanno anche lavorando nel bioprinting di tessuti retinici e cerebrali, anche se questi studi sono ancora al loro primo livello fondamentale. Un bioprinting piezoelettrico a getto d’inchiostro è stato applicato utilizzando cellule gangliari retiniche (RGC) e glia e sono stati studiati gli effetti dei parametri di bioprinting sulla vitalità delle cellule e le loro proprietà di promozione della crescita. Recentemente, è stata presentata anche la deposizione manuale di neuroni corticali primari carichi di gellan-gum-RGD per la fabbricazione di tessuti simili al cervello. Anche se non è stato impiegato un sistema di controllo computerizzato del movimento, il lavoro presentato ha dimostrato per la prima volta l’uso dell’approccio strato per strato per l’ingegneria del tessuto cerebrale.
Trapianti e cliniche
La medicina rigenerativa è probabilmente una delle applicazioni future più eccitanti del bioprinting 3D. Gli scienziati sperano che il bioprinting possa essere usato per stampare direttamente tessuti come la pelle, e per creare organi, tessuti e strutture per il trapianto. Si ritiene che il bioprinting 3D possa essere applicato con successo per il trapianto e la produzione di tipi di tessuto multistrato come nervi, cuore, vasi sanguigni, ossa e pelle (Fig. 2). I ricercatori prevedono che in futuro i tessuti ed eventualmente interi organi potrebbero essere trapiantati ai pazienti prodotti dalle loro stesse cellule. Con l’aiuto del 3D bioprinting, il rigetto dei trapianti e le lunghe liste di donatori potrebbero diventare un problema del passato. Inoltre, numerosi costrutti di tessuto sono stati biostampati e impiantati sottocutaneamente per valutare la differenziazione in vivo delle cellule e la funzionalità degli impianti. Nonostante questi esperimenti, nessuno dei tessuti bioprintati è stato usato clinicamente per gli esseri umani perché non è stata ancora concessa l’approvazione. Non ci sono regolamenti stabiliti per le bioprinters o i prodotti bioprinted. Tuttavia, con il crescente interesse in tutto il mondo e le imprese emergenti nel mercato del bioprinting, il successo della prima tecnologia che passa attraverso i regolamenti sarà esemplare per le tecnologie e i prodotti precedenti.
Anche se la tecnologia di bioprinting è ancora nelle sue prime fasi nelle cliniche, gli impianti di plastica, ceramica o metallo stampati in 3D per la sostituzione del tessuto osseo sono già stati trapiantati con successo negli esseri umani. Oltre agli impianti permanenti, un recente lavoro pubblicato sul New England Journal of Medicine ha presentato un caso unico di trapianto di una stecca bioriassorbibile per le vie aeree stampata in 3D in un bambino. Nessun problema inaspettato è stato osservato con la stecca e il completo riassorbimento del dispositivo è previsto in circa 3 anni. Questo è stato un caso esemplare per l’uso clinico di impalcature stampate in 3D e ottimisticamente porterà a un successo simile con tessuti e organi bioprintati. Nonostante i risultati nella ricerca sul bioprinting, il bioprinting per il trapianto in un ospedale richiede ulteriori miglioramenti e sforzi traslazionali. Gli organi e i tessuti che non hanno bisogno di una vascolarizzazione significativa (cioè la pelle e la cartilagine) dovrebbero essere tradotti clinicamente molto presto. Tuttavia, i tessuti e gli organi che sono metabolicamente molto attivi (es. cuore, pancreas e fegato) sono estremamente impegnativi.
Figura 2. Strategia di stampa in 3D
Uno degli argomenti per il potenziale di traduzione clinica dei tessuti e degli organi biostampati proviene dalla tecnologia di bioprinting stessa. Il bioprinting coinvolge cellule viventi nel bioink e l’uso di cellule specifiche del paziente è relativamente nuovo nel bioprinting. Le cellule staminali, come le cellule staminali embrionali e le cellule staminali pluripotenti indotte, sono state potenziali fonti illimitate di cellule specifiche del paziente per la produzione di tessuti e organi. Le cellule paziente-specifiche possono essere differenziate e poi biostampate o biostampate e poi differenziate verso lineages multipli per costruire tessuti e organi che causeranno un rischio minimo di immunogenicità.
Farmacologia e screening ad alta efficienza
Un altro settore chiave in cui ci si aspetta che il 3D bioprinting abbia successo è nello sviluppo di farmaci. La maggior parte dei test sui farmaci è attualmente effettuata utilizzando colture cellulari 2D. Come la ricerca sul cancro, queste culture non simulano il comportamento naturale delle cellule. Lo xenotrapianto (trapianto di cellule umane) su animali è ora impiegato per aiutare a risolvere questo problema. Tuttavia, questo approccio è impegnativo a causa delle differenze biochimiche, metaboliche e genetiche tra le specie. È stato suggerito che questi problemi sono la ragione principale dell’alto tasso di fallimento nella valutazione dei nuovi farmaci candidati. Nonostante i continui sforzi per migliorare il processo di sviluppo dei farmaci, solo una su 10.000 nuove sostanze chimiche e un candidato farmaco su dieci entra nei test clinici, raggiunge la fase finale di approvazione ed entra nel mercato. D’altra parte, l’uso del 3D bioprinting per i test farmaceutici piuttosto che per gli studi in vivo non ha bisogno di un’approvazione normativa. Così, il rendimento dello sviluppo dei farmaci sarà forse ampiamente moltiplicato. Tra i diversi metodi per l’ingegneria dei sistemi 3D in vitro, il bioprinting ha seri vantaggi come la controllabilità delle dimensioni e della microarchitettura, la capacità di alto rendimento, le opportunità di co-cultura e il basso rischio di contaminazione incrociata. Ecco perché, i tessuti e gli organi biostampati sono stati sempre più considerati come potenziali modelli da utilizzare nella tossicologia dei farmaci e nello screening ad alta efficienza.
Il fegato e il tessuto tumorale sono stati al centro della costruzione di modelli di tessuto per la farmaceutica. A questo proposito è stata studiata la fabbricazione di un modello di microrgano epatico biostampato per il metabolismo dei farmaci (Fig. 3). Il micro-organo epatico bioprinted 3D è stato usato per la simulazione della risposta fisiologica del fegato alla somministrazione di farmaci e all’esposizione chimica tossica. Il metabolismo del farmaco è stato dimostrato dalla trasformazione del pro-farmaco non fluorescente, 7-etossi-4-trifluorometil cumarina (EFC), in un metabolita fluorescente effluente 7-idrossi-4-trifluorometil cumarina (HFC). Le cellule epiteliali e gli epatociti incapsulati in Matrigel™ sono stati utilizzati per mostrare il percorso di diffusione del farmaco dal flusso sanguigno al tessuto. Le cellule epiteliali sono le cellule che coprono il lume attraverso il quale i farmaci passano dal flusso sanguigno al bersaglio, dove gli epatociti sono stati usati come tipo di cellule bersaglio. Sulla base del modello di tessuto presentato, è stato sviluppato un modello computazionale su macroscala utilizzando un quadro numerico di cinetica cellulare a convezione e diffusione. L’ultimo ha dimostrato di essere molto utile per la ricerca futura nella farmacocinetica e nella tossicità dei microrgani in 3D.
Figura 3. Modelli di tessuti biostampati per test farmacologici e screening ad alta efficienza. (a) Tessuto epatico biostampato. b tessuto renale biostampato e) tessuto cutaneo biostampato d) materiale di riparazione ossea biostampato 3D e) idrogel (f) costrutti di tessuto cardiaco multicellulare biostampati in 3D.
Le tecnologie in evoluzione di microingegneria permettono la produzione adattabile di microarray 3D basati su cellule, tra cui la litografia morbida, il patterning di superficie, la manipolazione basata su microfluidica e la biostampa. Tra queste, la tecnologia di bioprinting ha il vantaggio di creare co-culture e array di cellule singole con un controllo preciso sulla densità delle cellule. Uno studio recente ha utilizzato un nuovo metodo di bioprinting basato sul getto d’inchiostro per fabbricare una piattaforma miniaturizzata di drug-screening ad alto rendimento. Gli autori hanno bio-stampato l’alginato carico di Escherichia coli per disporre un chip su vetrini coprioggetto. Usando l’approccio strato su strato, goccioline di tre antibiotici sono state stampate su spot di cellule. I risultati hanno mostrato una vitalità cellulare simile, funzionalità ed effetti antibatterici degli antibiotici nei campioni biostampati a getto d’inchiostro e micropipettati. Così, le matrici bioprinted a getto d’inchiostro ad alta produttività si è dimostrato un metodo efficace per ridurre al minimo la durata dei tipici test di screening dei farmaci. Inoltre, sono stati presentati biosensori basati sulle cellule (CBB), dove la biostampa basata sull’acustica è stata usata per creare un microarray di goccioline di cellule muscolari lisce nel collagene. Il microarray bioprintato è stato poi sottoposto a diverse condizioni ambientali (ad esempio la temperatura) ed è stato valutato l’effetto degli stimoli applicati e dei parametri del processo di bioprinting sulla vitalità delle cellule. Oltre al 3D bioprinting di microarray di cellule ad alta produttività, la somministrazione controllata di candidati farmaci su microarray di cellule è anche un fattore importante per lo screening di farmaci efficaci. Diversi metodi sono stati proposti per la somministrazione controllata dei farmaci su microarray di cellule, tra cui il patterning del farmaco, stamping del farmaco, spray di aerosol e caricamento microfluidico del farmaco.
Ricerca sul cancro
Le immense possibilità future della tecnologia di bioprinting 3D in campo biomedico sono già state ben documentate. Una delle aree in cui gli scienziati sperano che la biostampa 3D si riveli utile è la ricerca sul cancro. Il microambiente tumorale, così come le strutture biologiche e le sostanze che circondano il tumore, è un elemento essenziale del comportamento del cancro e non è ancora completamente compreso. Fino ad ora, modelli animali e colture cellulari 2D sono stati impiegati in queste indagini. Tuttavia, non dimostrano con precisione il comportamento delle cellule tumorali umane in vivo, che include una complicata interazione tra le cellule tumorali con l’ambiente cellulare e le altre cellule. Le ultime ricerche suggeriscono che i modelli 3D riflettono più precisamente il comportamento delle cellule tumorali e il bioprinting è una tecnica promettente che potrebbe essere efficace in questi studi. Un vantaggio che il bioprinting 3D possiede è che le cellule possono essere esplicitamente progettate in un modello 3D con i suoi elementi extracellulari e strutturali. Gli approcci alternativi differiscono in quanto richiedono l’auto-assemblaggio, che richiede molto più tempo, o l’impalcatura, dove la matrice di supporto è sviluppata indipendentemente dalla cultura cellulare. Inoltre, il bioprinting 3D fornisce sia l’opportunità di stampare particolari tessuti e strutture cellulari, sia di essere specifico per il paziente. Le cellule di un paziente possono essere prelevate mediante biopsia, coltivate e biostampate, strutture appropriate possono essere fabbricate, e la risposta del farmaco o la dose efficace possono essere studiate.
Tuttavia, l’uso dell’approccio di bioprinting nella ricerca sul cancro è nuovo e solo pochi studi sono stati eseguiti in questa area di applicazione emergente. Per la prima volta è stato dimostrato il bioprinting di tessuto tumorale con cellule di cancro ovarico umano (OVCAR-5) e fibroblasti MRC-5. In questo studio è stata utilizzata una piattaforma di bioprinting a getto d’inchiostro con doppi espulsori. L’approccio proposto non solo ha mostrato uno strumento per la ricerca sul cancro, ma ha anche offerto una grande piattaforma per lo screening ad alta produttività. Gli stessi ricercatori hanno eseguito il bioprinting di cellule HeLa per formare modelli di tumore cervicale. Anche se questi due studi hanno presentato la bioproduzione di sferoidi tumorali utilizzando la tecnologia di bioprinting, la costruzione di modelli di tessuto più grandi per esaminare la migrazione delle cellule tumorali e le metastasi è anche cruciale. L’altro approccio si è concentrato sull’uso di un sistema di stampa a proiezione 3D basato sul laser per biostamparecellule HeLa e fibroblasti non cancerosi 10 T1/2 in PEGDA insieme alla rete microvascolare con larghezze di canale di 25, 45 e 120 μm per simulare i diametri dei vasi sanguigni. Oltre agli approcci basati su scaffold, è stato eseguito anche il bioprinting senza scaffold di un modello di cancro al seno utilizzando la piattaforma NovoGen Bioprinting™. In questo tentativo le cellule tumorali sono state circondate da un mezzo stromale fisiologicamente rilevante che comprendeva cellule adipose MSC-differenziate, fibroblasti mammari e cellule endoteliali.
Osservazioni conclusive e prospettive future
Recenti indagini hanno dimostrato che il bioprinting 3D è un approccio emergente che ha un’ampia applicazione in varie aree, tra cui la ricerca di base nell’ingegneria dei tessuti, la medicina rigenerativa e la patogenesi del cancro, il bioprinting dei tessuti per i trapianti e la clinica, e potrebbe essere applicato con successo nella farmaceutica per i test dei farmaci e lo screening ad alta produttività. Attualmente, ci sono circa 15 diversi tipi di tessuto utilizzati in diversi studi sperimentali. Tuttavia, esistono ancora molti altri tessuti umani che non sono stati ancora toccati. A questo proposito, i tentativi futuri devono essere fatti nel bioprinting di altri modelli di tessuti e organi che sono impegnativi ma possono rivoluzionare la medicina. Questo dipende anche dalle innovazioni nel campo dell’ingegneria dei tessuti, poiché la ricerca sul bioprinting dipende vitalmente dalla nostra comprensione dei tipi di tessuto inesplorati. Inoltre, una delle nuove direzioni nel bioprinting dovrebbe essere focalizzata sulla biofabbricazione di nuovi tipi di organi, come gli organi bionici o gli organi che non esistono in natura.
La maggior parte della ricerca sul bioprinting 3D si è sviluppata intorno a modelli di tessuto omocellulare utilizzando un singolo tipo di cellula. Tuttavia, i tessuti nativi hanno una natura eterocellulare con più tipi di cellule organizzate in un’anatomia molto complessa. Anche se semplici modelli di tessuto bioprinting sono relativamente accettabili nella ricerca fondamentale, la fabbricazione di tessuti funzionali per studi clinici o farmaceutici richiede l’inclusione di più tipi di cellule. Così, alcune delle funzionalità delle cellule possono essere abilitate o ulteriormente potenziate dalle interazioni cellula-cellula. Pertanto, il bioprinting di più tipi di cellule ha bisogno di ulteriori indagini sulle condizioni di coltura ottimali, compreso il giusto mezzo e i reagenti per sostenere la loro crescita e il loro comportamento.
I tentativi contemporanei di traduzione del bioprinting al trapianto sono principalmente limitati a modelli murini. Tuttavia, i modelli murini sono piccoli con condizioni fisiologiche significativamente diverse da quelle degli esseri umani. Per esempio, un piccolo tessuto pancreatico con isolotti biostampati in 3D può essere impiantato in un modello murino diabetico e può regolare la secrezione di insulina. D’altra parte, il volume medio delle isole in un pancreas di topo è circa 100.000 volte più piccolo di quelle in un pancreas umano. Pertanto, il bioprinting di tessuti e organi in scala è estremamente importante per costruirli a dimensioni clinicamente rilevanti. Animali più grandi, come un modello suino, possono essere un passo di transizione verso le prove sugli esseri umani perché questi animali corrispondono alla fisiologia umana più da vicino rispetto agli animali piccoli. Per scalare gli organi bioprinted per l’uso clinico, la fabbricazione di reti vascolari gerarchiche è cruciale, oltre alla loro forza meccanica, elasticità e stabilità strutturale a lungo termine. Inoltre, l’integrazione di tessuti nervosi e l’innervazione è un passo critico verso la produzione di tessuti e organi funzionali perché tessuti come il cuore, il muscolo e la pelle richiedono l’innervazione, che è attualmente una sfida nel bioprinting. La maggior parte della ricerca sul bioprinting coinvolge l’uso di bioinchiostri a base di idrogel in quanto sono un ambiente favorevole per la crescita 3D delle cellule. Tuttavia, gli idrogel hanno proprietà meccaniche deboli quando sono usati a basse concentrazioni per sostenere la proliferazione cellulare. Inoltre, i materiali biodegradabili come la termoplastica possono essere utilizzati come struttura di fondo per lo scale-up di tessuti e organi. I biomateriali disponibili, come i polimeri sintetici, sono forti, ma la loro degradazione è difficile, richiede tempo, e non si adatta strettamente al processo di rigenerazione dei tessuti. Pertanto, lo sviluppo di nuovi biomateriali è vitale per la progressione nel bioprinting di tessuti e organi per uso clinico. Oltre ai biomateriali, la selezione della giusta fonte di cellule è anche un fattore critico per un uso clinico e farmaceutico di successo. Per la medicina personalizzata è impegnativo ottenere diversi tipi di cellule primarie. Le cellule staminali rappresentano una fonte promettente di cellule e sono necessarie ulteriori indagini per stabilire protocolli standard per la differenziazione delle cellule staminali in varie linee cellulari stabili e funzionali.
Un’altra modalità importante di fabbricazione dei tessuti per lo screening ad alta efficienza sono le piattaforme 3D-array in miniatura come i modelli tissue-on-a-chip o organ-on-a-chip. La fusione della tecnologia di bioprinting con altre tecnologie come la microfluidica è essenziale per produrre array di microrgani target fisiologicamente simulati, complessi e vitali a lungo termine. L’applicazione di tecnologie che generano goccioline da un picolitro con un basso livello di danno cellulare e che hanno capacità di smistamento di singole cellule dovrebbe essere incoraggiata nel bioprinting di microarray di cellule. Anche la somministrazione controllata di farmaci su microarray di cellule dovrebbe essere considerata e implementata.
Anche se sono stati fatti diversi tentativi di ingegneria del microambiente del cancro usando la tecnologia di bioprinting, sono necessari ulteriori progressi per la costruzione di un microambiente completo fisiologicamente rilevante, comprendente il sito del tumore, il sito sano e la rete microvascolare in mezzo, per eseguire la ricerca sulle metastasi del cancro. I modelli di tessuto tumorale dovrebbero essere collocati con precisione all’interno dei tessuti parenchimali vascolarizzati biostampati per studiare la loro crescita, l’intravasazione e l’extravasazione delle cellule tumorali.
Test: LO2 Livello avanzato
Referenze
- AZoMaterials. 3D bioprinting and its applications (2018). https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=17370
- Bhise NS et al. 2014. Organ-on-a-chip platforms for studying drug delivery systems. Journal of Controlled Release. doi:10.1016/j.jconrel.2014.05.004
- Harris M. 2018. Print me an organ. https://physicsworld.com/a/print-me-an-organ/
- Liang M, Yutong W, Li Y, et al. 2020. Current Advances on 3D-Bioprinted Liver Tissue Models. Adv. Healthcare Mat., doi: 10.1002/adhm.202001517
- Murphy SV, Atala A. 2014. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat. Biotechnol., 32: 773–785.Varotto A. 2015. Global Market for 3D Printing., BCC Research, ISBN: 1-62296 -006-8
- Ozbolat IT, Peng W, Ozbolat V. 2016. Application areas of 3D bioprinting. Drug Discovery Today. doi:10.1016/j.drudis.2016.04.006
- Park JY, Jang J, Kang HW. 2018. 3D Bioprinting and its application to organ-on-a-chip. Microelectron. Eng.. doi:10.1016/j.mee.2018.08.004
- Wang C, et al. 2014. Three-dimensional in vitro cancer models: a short review. Biofabrication, doi: 10.1088/1758-5082/6/2/022001.
- Yao R, et al. 2016. Three-dimensional printing: review of application in medicine and hepatic surgery. Cancer Biol Med
- Grigoryan B, Paulsen S, Corbett D, et al. 2019. Functional intravascular topologies and multivascular networks within biocompatible hydrogels. Science, 464: 458-464.
- Augustine R. 2018. Skin bioprinting: a novel approach for creating artificial skin from synthetic and natural building blocks. Prog Biomater., 7: 77–92.
- Datta P, Ayanb B, Ozbolat IT. 2017. Bioprinting for vascular and vascularized tissue biofabrication. Acta Biomaterialia, 51: 1-20.
- AZoMaterials. 3D bioprinting and its applications (2018). https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=17370
- Bhise NS et al. 2014. Organ-on-a-chip platforms for studying drug delivery systems. Journal of Controlled Release. doi:10.1016/j.jconrel.2014.05.004
- Harris M. 2018. Print me an organ. https://physicsworld.com/a/print-me-an-organ/
- Liang M, Yutong W, Li Y, et al. 2020. Current Advances on 3D-Bioprinted Liver Tissue Models. Adv. Healthcare Mat., doi: 10.1002/adhm.202001517
- Murphy SV, Atala A. 2014. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat. Biotechnol., 32: 773–785.Varotto A. 2015. Global Market for 3D Printing., BCC Research, ISBN: 1-62296 -006-8
- Ozbolat IT, Peng W, Ozbolat V. 2016. Application areas of 3D bioprinting. Drug Discovery Today. doi:10.1016/j.drudis.2016.04.006
- Park JY, Jang J, Kang HW. 2018. 3D Bioprinting and its application to organ-on-a-chip. Microelectron. Eng.. doi:10.1016/j.mee.2018.08.004
- Wang C, et al. 2014. Three-dimensional in vitro cancer models: a short review. Biofabrication, doi: 10.1088/1758-5082/6/2/022001.
- Yao R, et al. 2016. Three-dimensional printing: review of application in medicine and hepatic surgery. Cancer Biol Med
- Grigoryan B, Paulsen S, Corbett D, et al. 2019. Functional intravascular topologies and multivascular networks within biocompatible hydrogels. Science, 464: 458-464.
- Augustine R. 2018. Skin bioprinting: a novel approach for creating artificial skin from synthetic and natural building blocks. Prog Biomater., 7: 77–92.
- Datta P, Ayanb B, Ozbolat IT. 2017. Bioprinting for vascular and vascularized tissue biofabrication. Acta Biomaterialia, 51: 1-20.