Usare la fisica per stampare tessuti viventi

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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