Usare la fisica per stampare tessuti viventi

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Le stampanti 3D possono essere utilizzate per creare una varietà di oggetti utili costruendo una forma, strato per strato. Gli scienziati hanno usato questa stessa tecnica per “bioprint” i tessuti viventi, inclusi muscoli e ossa. La bioprinting è una tecnologia relativamente nuova che è progredita principalmente per tentativi ed errori. Gli scienziati ora usano le leggi della fisica e la modellazione predittiva del computer per migliorare queste tecniche e ottimizzare il processo di bioprinting. Questi nuovi progressi sono esaminati in Applied Physics Reviews ( “Fisica del bioprinting” ).

La bioprinting comprende tre fasi principali:

  • 1. Pre-bioprinting, che include la progettazione della struttura, la preparazione del bioink e la valutazione della stampabilità. Le leggi della fisica possono aiutare gli scienziati a preparare bioink con parametri sintonizzabili per il miglior risultato di fabbricazione;
  • 2. Il processo di bioprinting, che prevede la consegna di bioinks ottimizzati e preparati nella forma desiderata utilizzando un sistema computerizzato;
  • 3. Post-bioprinting, la fase più critica, che incorpora la quarta dimensione della bioprinting, il tempo. Questo stadio coinvolge diversi processi di autoassemblaggio cellulare governati da leggi fisiche. La fisica dell’autoassemblaggio cellulare è stata studiata dai ricercatori per ottenere tessuti / organi funzionali e vitali.

I bioprinters più utilizzati sono le stampanti a estrusione, a getto d’inchiostro e laser. Ogni tipo implica fisica leggermente diversa, e ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi. Il coautore Ashkan Shafiee ha detto: “L’unico modo per ottenere una transizione significativa da” tentativi ed errori “alla fase di” previsione e controllo “del bioprinting è comprendere e applicare la fisica sottostante.” Una stampante per estrusione carica un materiale, noto come bioink, in una siringa e lo stampa forzando l’inchiostro con un pistone o la pressione dell’aria. Il bioink può essere una collezione di cellule viventi pure o una sospensione di cellule in un idrogel o un polimero. I bioprotettori a getto d’inchiostro funzionano in modo simile ma usano un cristallo piezoelettrico o un riscaldatore per creare goccioline da una piccola apertura. Le stampanti laser focalizzano un raggio laser su un nastro, dove viene distribuito un sottile strato di bioink, e si traduce in vitalità delle cellule alte.

Generalmente i prodotti biologici creati con il bioprinting non sono immediatamente utilizzabili. Mentre la stampante può creare una configurazione iniziale di celle, queste celle si moltiplicheranno e si riassembleranno in una nuova configurazione. Il processo è simile a quello che si verifica quando si sviluppa un embrione e le cellule si fondono con altre cellule e si suddividono in nuove regioni.

Le tecniche di modellizzazione al computer sono state sviluppate a metà 2010 per ottimizzare la fase di auto-assemblaggio post-stampa della biostampa, in cui piccoli frammenti di tessuto vengono consegnati in un materiale di supporto con la forma della struttura biologica desiderata, come un organo, con bioink. I piccoli frammenti poi si sviluppano ulteriormente e si autoassemblano nella struttura biologica finale.

Il modello coinvolge equazioni che descrivono le forze di attrazione e repulsione tra le cellule. Gli autori hanno dimostrato che le simulazioni che utilizzano questo metodo – noto come dinamica delle particelle cellulari o CPD – predicono correttamente il modello in cui un insieme di cellule si riunirà dopo la fase di stampa iniziale.

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