L'artrosi colpisce circa il 50% delle persone che hanno superato i 60 anni, ma anche sportivi e vittime di incidenti. È un disturbo progressivo e doloroso, caratterizzato dal lento consumo del tessuto cartilagineo presente sulle superfici articolari e che nei casi più gravi richiede l'inserimento di protesi mediante trattamento chirurgico.
Alla Queensland University of Technology di Brisbane, in Australia, hanno cercato di capire quale sia la chiave per sviluppare impianti ortopedici sempre più durevoli e funzionali. Lo hanno fatto con un approccio originale: studiando come risponde agli stress meccanici la cartilagine della spalla dei canguri.
Perché il canguro. Secondo i ricercatori australiani, è un modello animale molto valido, in quanto bipede e dotato di una stazza simile all'uomo. Il marsupiale, inoltre, possiede arti superiori piccoli ma robusti, che nel muoversi sollecitano fortemente l'articolazione della spalla (ad esempio quando l'animale sferra i suoi micidiali pugni).
Nel giro di qualche decennio le lunghe attese per i trapianti potrebbero essere solo un ricordo: gli organi "nuovi" da utilizzare in sostituzione di quelli danneggiati da malattie e incidenti verranno realizzati con speciali stampanti 3D direttamente nei laboratori degli ospedali, su misura per ogni paziente e senza problemi di compatibilità e rigetto.
Fantascienza? Probabilmente no (vedi Focus 251 - in digitale). Già oggi la tecnologia consente agli scienziati di stampare, anche se quasi sempre solo in via sperimentale, diversi organi umani o parti di essi. A costi contenuti e con macchinari che, in alcuni casi, potrebbero essere costruiti in casa da un un hobbysta di medio livello. Ecco quali.
Un bambino su 12.500 nasce affetto da microtia, una grave malformazione dell'orecchio esterno sulla quale oggi si interviene con la chirurgia tradizionale finalizzata alla ricostruzione della funzionalità e dell'estetica dell'organo.
I ricercatori della Cornell University hanno però messo a punto una metodologia che in poche settimane permette di avere a disposizione un orecchio nuovo di zecca pronto da essere impiantato nei piccoli pazienti.
L'organo viene disegnato al computer con un sistema CAD - lo stesso comunemente utilizzato nella progettazione industriale - e il modello, diviso in 7 parti, viene stampato con una stampante 3D. Il calco viene poi riempito con un gel a base di cartilagine ottenuta da bovini e topi. Nel giro di 3 mesi il tessuto avrà colonizzato interamente lo stampo e il nuovo orecchio sarà pronto per il trapianto.
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Foto: © Foto: cortesia Cornell University
Messa a punto da un team di ricercatori della Washington State University, la stampa 3D delle ossa permette ogni anno a milioni di vittime di incidenti stradali di tornare a una vita normale.
I medici stampano l'impalcatura per l'osso artificiale utilizzando polvere di ceramica e lo stesso macchinario impiegato nell'industria meccanica per produrre le parti metalliche dei motori elettrici. Questa anima sintetica viene poi ricoperta con materiale plastico e cotta in un altoforno per circa 2 ore.
Una volta raffreddata, la struttura viene messa in coltura con cellule ossee umane che la colonizzano nel giro di 24 ore.
Questo procedimento permette di rimpiazzare ossa intere troppo rovinate per poter essere curate con i metodi tradizionali, ma anche parti più o meno grandi di un singolo osso. In questo caso una risonanza magnetica permette ai medici di avere l'esatta impronta della parte da ricostruire in modo da avere un'unione assolutamente perfetta tra l'osso del paziente e l'inserto artificiale.
La stampa 3D delle ossa di dinosauro
Foto: © Washington State University
Un team di scienziati del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine ha messo a punto un'innovativa tecnica per produrre lembi di pelle da utilizzare nei trapianti.
La ferita del paziente, quella che verrà ricoperta dal tessuto artifciale, viene prima scansionata e mappata per identificarne con precisione forme e spessori.
La pelle sintetica viene quindi prodotta utilizzando una speciale stampante simile a una comune inkjet dotata di diversi ugelli: uno secerne l'enzima trombina, indispensabile per la coagulazione del sangue, l'altro un mix di collagene e fibrogeno, una proteina sintetizzata dal fegato.
Sopra questi elementi la stampante deposita quindi uno strato di tessuto connettivo umano e infine uno strato di cheratinociti, il tipo cellulare più abbondante nella pelle dell'uomo.
Gli scienziati stanno ora lavorando a una versione portatile della loro biostampante da utilizzare nei luoghi degli incidenti e sui campi di battaglia.
Le più belle nanosculture 3D
Che pelle hai? Scopri il tuo fototipo
Foto: © Wake Forest Institute for Regenerative Medicine
Vasi sanguigni e capillari possono essere prodotti artificialmente utilizzando una stampante a basso costo, zucchero e polimeri vegetali. Il procedimento è stato sviluppato da un team di scienziati del MIT e della Pennsylvania University.
I ricercatori hanno realizzato uno speciale software per il controllo delle stampanti RepRap, macchine open source (se volete costruirvene una qui trovate le istruzioni) a basso costo per la modellazione 3D. Grazie a questo programma hanno stampato una rete di filamenti di zucchero e li hanno ricoperti con un polimero sintetico ottenuto dal mais. Hanno poi rivestito il tutto con cellule tissutali.
Infine hanno lavato con acqua i minuscoli tubicini così ottenuti per scioglierne l'anima di zucchero.
Il prossimo passo degli scienziati sarà quello di mettere a punto una tecnologia per produrre vasi più grandi e robusti come vene e arterie, indispensabili per arrivare, in futuro, alla stampa 3D di interi organi.
La bistecca che si stampa nella padella
Foto: © University of Pennsylvania e MIT
La stampa 3D potrebbe, nel giro di qualche anno, dare nuova speranza alle migliaia di persone che, in tutto il mondo, attendono da tempo un trapianto di rene. La tecnologia, per ora allo stato embrionale, è stata messa a punto dal Wake Forest Institute For Regenerative Medicine.
Una biostampante 3D deposita diversi strati di cellule renali (prelevate dal paziente tramite biopsia e coltivate per farle moltiplicare) su uno stampo realizzato in materiale sintetico biodegradabile. Il tutto viene poi impiantato nel paziente: man mano che le cellule colonizzeranno lo stampo, questo si dissolverà fino a scomparire completamente.
Volete vedere come si stampa un rene? In questo video, tratto da una conferenza Ted, Anthony Atala, uno scienziato del Wake Forest Institute, racconta e mostra come funziona questa affascinante tecnologia.
Foto: © Wake Forest Institute For Regenerative Medicine.
Il test. Dopo una serie di prove di compressione, prima sulla sola cartilagine, poi su campioni di cartilagine con l'aggiunta degli enzimi capaci di degradare i proteoglicani o le fibre di collagene, le due componenti basilari della matrice cartilaginea, gli scienziati hanno constatato che nella spalla la rete di collagene ha un ruolo dominante nell'assorbimento di traumi e stress.
La novità. Il coordinatore della ricerca - Yuantong Gu - ha spiegato che finora quasi tutti gli studi si erano concentrati sull'articolazione del ginocchio, evidenziando la centralità dei proteoglicani nella resistenza agli shock. I nuovi risultati rivelano però che spalla e ginocchio non si comportano nello stesso modo, il che suggerisce la necessità di costruire protesi diverse e specializzate a seconda dell'articolazione coinvolta.
Chiarire nei dettagli le proprietà biomeccaniche delle cartilagini naturali, spiega inoltre Gu, rappresenta un passaggio obbligato per creare materiali che sappiano mimare la solidità, la flessibilità e la capacità di deformarsi dei tessuti naturali.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Applied Physics Letter.
