Affrontare le esigenze cliniche insoddisfatte con le tecnologie di stampa 3D

Un nuovo studio discute le esigenze cliniche insoddisfatte affrontate dalla stampa 3D

La stampa 3D continua ad avere un enorme impatto in campo medico. Un team di ricercatori dell’Università dello Utah ha recentemente pubblicato un documento di revisione che, come Yong Lin Kong, PhD , professore associato nel  Dipartimento di ingegneria meccanica dell’università , ha dichiarato “mette in evidenza i progressi delle tecnologie di stampa 3D nell’indirizzamento bisogni clinici insoddisfatti “.

Il documento, intitolato ” Affrontare le esigenze cliniche insoddisfatte con le tecnologie di stampa 3D” e pubblicato su Advanced Healthcare Materials , è stato scritto da Udayan Ghosh, Shen Ning con la facoltà di medicina dell’Università di Boston , Yuzhu Wang e il professor Kong.

A) ambiente osseo biomimetico stampato in 3D per la valutazione delle metastasi ossee da carcinoma mammario; B) guida di rete stampata in 3D per la rigenerazione dei plessi nervosi danneggiati; C) protesi in titanio stampato in 3D per ricostruzione sternocostale; D) Un miocardio endoteliale mediante stampa 3D di cellule endoteliali inglobate all’interno di impalcature di idrogel micro-fibroso; E) protesi oculare personalizzata stampata in 3D; F) orecchie bioniche; G) microneedle a scala micrometrica cava; H) impianto pelvico stampato in 3D.
L’abstract dice: “I recenti progressi nella stampa 3D hanno permesso la creazione di nuovi costrutti e dispositivi 3D con un livello senza precedenti di complessità, proprietà e funzionalità. Contrariamente alle tecniche di produzione sviluppate per la produzione di massa, la stampa 3D comprende un’ampia classe di tecnologie di fabbricazione che possono consentire 1) la creazione di architetture fisiche 3D altamente personalizzate e ottimizzate da progetti digitali; 2) l’integrazione sinergica di proprietà e funzionalità di classi distinte di materiali per creare nuovi dispositivi ibridi; e 3) un approccio di fabbricazione biocompatibile che faciliti la creazione e la cointegrazione di costrutti e sistemi biologici. Questo rapporto sui progressi descrive come queste capacità possano potenzialmente affrontare una miriade di bisogni clinici insoddisfatti “.
Il documento esamina innanzitutto il supporto strutturale per gli organi scheletrici e tubulari con protesi stampate in 3D per aiutare le persone a recuperare alcune delle funzioni che hanno perso, per poi passare a nuove strategie di somministrazione di farmaci e sistemi organo-on-a-chip .

“In quarto luogo, vengono esplorati gli sviluppi della rigenerazione di tessuti e organi stampati in 3D”, spiegano i ricercatori nel documento. “Infine, è prevista la possibilità di integrare facilmente gli organi ingegnerizzati con dispositivi attivi sfruttando la versatilità della stampa 3D multimateriale.”
La società è stata trasformata dalla produzione di massa, che consente di produrre pezzi a un costo molto inferiore rispetto all’assunzione di manodopera manuale. Tuttavia, ciò rende difficile e più costoso trovare prodotti personalizzati.

I ricercatori dicono nel documento: “Invece di ottimizzare le esigenze individuali e il comfort, la produzione di massa ha costretto la società a tollerare un insieme finito di design prescritti determinato dal mercato globale”.
La produzione di massa in realtà non affronta la complessità del corpo umano, e la maggior parte dei tipici dispositivi medici approvati dalla FDA non sono fatti su misura per le specifiche di un paziente, il che può causare diversi problemi che influenzano la qualità della vita di una persona. Ma ora, sempre più medici stanno studiando l’uso della stampa 3D per quanto riguarda la realizzazione di dispositivi personalizzati e convenienti.

“In effetti, la stampa 3D di materiali biocompatibili può creare protesi specifiche per paziente su misura per l’anatomia e le esigenze uniche di ogni paziente”, hanno scritto i ricercatori.
Le protesi stampate in 3D possono aiutare a ridurre il disagio, poiché sono adattate a persone specifiche e allo stesso tempo sono meno costose e allo stesso tempo più accessibili. Uno specifico, e molto importante, bisogno clinico non soddisfatto che la stampa 3D può aiutare è la creazione di protesi di arto superiore funzionanti per i bambini , in modo che possano cogliere le cose per svolgere le loro attività quotidiane di base. È difficile fornire ai bambini protesi ben adatte, poiché crescono così rapidamente; ecco perché una versione stampata in 3D è un’opzione di gran lunga migliore.

Prototipo di prototipo di un array di microneedle.
I dispositivi stampati 3D vengono anche utilizzati per aiutare a sviluppare nuove strategie di somministrazione di farmaci, da paradenti e vaccini personalizzati a microneedles  e micro-razzi .

I ricercatori hanno scritto: “Qui, la stampa 3D consente la creazione di architetture uniche per consentire la consegna indolore di agenti terapeutici e profili di rilascio di farmaci personalizzati”.
Le strategie attuali possono essere difficili quando si tenta di consentire un’erogazione accurata del farmaco, ma la stampa 3D ha il potenziale per “superare queste sfide di vecchia data”, come afferma il documento.

“La stampa 3D ha introdotto una potenziale opportunità per lo sviluppo di sistemi di somministrazione di farmaci personalizzati, controllati e precisi”, hanno spiegato i ricercatori. “Questa tecnologia consente un controllo preciso del dosaggio in base alle dimensioni e al meccanismo del dispensario del progetto. Il materiale biocompatibile consente anche l’impianto o la ritenzione a lungo termine mentre si erogano continuamente volumi controllati con la possibilità di evolversi in un sistema di erogazione di farmaci a sensore altamente efficiente. ”
La stampa 3D ora viene utilizzata anche per soddisfare le esigenze cliniche insoddisfatte della piattaforma organo-su-un-chip, in quanto può riassumere i microambienti al fine di ottenere una comprensione più approfondita della meccanica cellulare.

A) Tubuli prossimali renali umani in vitro stampati in 3D incorporati in una matrice extracellulare e alloggiati in trucioli di tessuto perfusibili. B) Sistema nervoso personalizzato su circuito stampato 3D. Il modello circolare di tricromeccanici in silicone stampati in 3D progettati per la guida assonale (L). Un’immagine al microscopio mostra tre microcanali paralleli di neuroni e assoni (verdi) in una camera (R).
“Tissue / lab-on-a-chip, sinonimo di applicazione biomedica della microfluidica, è un modo vantaggioso ed economico per indagare le domande di ricerca di base. Analizzare i fluidi alla scala micrometrica usando un dispositivo microfluidico contiene immense promesse per la ricerca biologica “, hanno detto i ricercatori nel documento.
La continua ricerca sui tessuti su chip sta lavorando per sviluppare trucioli di tessuto che possono fungere da modelli accurati per la funzione e la struttura di un organo specifico, e la stampa 3D è la tecnologia perfetta per il lavoro. La ricerca continua anche per l’uso del bioprinting 3D nella rigenerazione dei tessuti , in quanto può essere utilizzato per creare costrutti biocompatibili e scaffold stampati in 3D per aiutare a rigenerare tessuti e organi danneggiati, come le orecchie .

I ricercatori hanno spiegato: “I costrutti 3D basati sul tessuto osseo sono più vantaggiosi delle colture cellulari 2D grazie alla struttura e alla composizione meccanica che la stampa 3D può produrre per imitare il microambiente del tessuto osseo”.
Fegato su un chip
Infine, il team ha toccato la stampa 3D multimateriale, che può aiutare ad accelerare “la creazione di costrutti bioelettronici per conferire funzionalità attive a un costrutto altrimenti passivo”.

“L’incorporazione dell’elettronica in dispositivi biomedici e scaffolds biologici è un concetto fondamentale, che quando applicato, può imitare e persino aumentare le funzionalità complesse dei sistemi biologici”, hanno continuato i ricercatori.
Con l’ integrazione di strumenti medici con l’elettronica , possiamo sviluppare sofisticati nuovi dispositivi bioelettronici che sono in realtà in grado di elaborare il feedback dal corpo umano. Il livello di integrazione dimostrato dalle tecniche di fabbricazione convenzionali è piuttosto limitato, ma usare la stampa 3D per ottenere questi dispositivi apre molte più possibilità – anche, come spiegano i ricercatori, “la capacità di imitare o superare funzionalità complesse intrinseche agli organi biologici”.

“Ad oggi, le dimostrazioni di una stampa 3D bioelettronica senza cuciture sono state limitate a componenti elettronici passivi, come tracce conduttive e condensatori”, hanno spiegato i ricercatori. “L’integrazione di dispositivi elettronici attivi potrebbe conferire un costrutto altrimenti passivo con capacità ottiche, sensoriali e computazionali.

“Prevediamo che approcci simili possono sviluppare strategie di stampa 3D di varie classi di elettronica attiva. Tuttavia, la biocompatibilità di tale approccio deve essere valutata in modo critico per accertare un risultato di traduzione completo dal banco al capezzale.
C’è molto da pensare qui, ma una cosa è certa: la ricerca di come affrontare una miriade di bisogni clinici insoddisfatti con la stampa 3D dovrebbe continuare.

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