Tessuto pericardico artificiale stampato in 3d col progetto PolyKARD

Tessuto pericardico artificiale dalla stampante 3D

La prima applicazione del materiale sostitutivo del pericardio è la produzione di un nuovo tipo di superficie per un sistema di supporto cardiaco extravascolare mediante stampa 3D. © AdjuCor GmbH
In futuro, nuovi tipi di polimeri dovrebbero consentire la produzione individuale di sostituzioni di tessuti elastici artificiali per pericardio, valvole cardiache o vasi sanguigni. Il progetto PolyKARD sta sviluppando polimeri biomimetici in grado di imitare le proprietà meccaniche del tessuto pericardico. La stampa 3D e l’elettrospinning devono essere utilizzati per produrre impianti personalizzati. Inoltre, per la prima volta è necessario sviluppare una stampante 3D in grado di produrre dispositivi medici di classe III.

Le malattie cardiache sono una delle cause più comuni di morte. Circa 23 milioni di persone in tutto il mondo soffrono di insufficienza cardiaca ̶ e la tendenza è in aumento. Al contrario, il numero di trapianti cardiaci ristagna in circa 3000 trapianti all’anno in tutto il mondo. Gli impianti fabbricati artificialmente potrebbero aiutare molte persone in attesa di un organo donatore. La stampa 3D di impianti con adattamento preciso è diventata indispensabile in medicina, ad esempio in ortopedia o chirurgia dentale. Con gli impianti che dovrebbero sostituire il tessuto elastico, tuttavia, la necessità di ricerca è significativamente maggiore, poiché le esigenze sui materialisono elevati: devono mantenere le loro proprietà meccaniche per molti anni, essere stabili al 100% e biocompatibili e non devono causare reazioni di rigetto da parte del sistema immunitario. Quest’ultimo è particolarmente importante per i materiali a contatto permanente con il corpo.

Nuovi polimeri per le moderne tecnologie di stampa e le singole tecnologie mediche
Come parte del progetto PolyKARD, i polimeri biomimetici sono stati sviluppati per imitare le proprietà dei materiali biologici e meccanici del pericardio, noto anche come pericardio. Il pericardio è una struttura
contenente collagene e meccanicamente estremamente stabile che circonda il cuore. Clinicamente, il pericardio di bovini o suini è già utilizzato in sostituzione delle valvole cardiache umane o per la ricostruzione dei vasi sanguigni. Tuttavia, la lavorazione del tessuto animale è costosa e non garantisce stabilità meccanica a lungo termine. Anche la qualità inaffidabile dovuta alla grande variabilità tra
animali donatori nonché aspetti etici e religiosi sono problematiche .

»Nel progetto stiamo sviluppando materiali di sostituzione del pericardio biomimetico che possono essere utilizzati, ad esempio, per sacche cardiache, valvole cardiache, vasi sanguigni, stent, tendini o occlusioni del setto artificiali. La particolarità è che gli impianti sono costituiti da fotopolimeri e possono essere fabbricati singolarmente in una stampante 3D o mediante elettrospinning. I monomeri sono sviluppati come inchiostri o resine. Polimerizzano solo quando sono esposti alla luce UV , «spiega il Dr. Wolfdietrich Meyer, a capo del progetto presso la Fraunhofer IAP di Potsdam. Il team di ricerca di Fraunhofer IAP sintetizza un materiale foto-reticolabile costituito da diversi segmenti di poliuretano e componenti di collagene.

Elastico, biocompatibile e resistente
I polimeri appena sintetizzati sono esaminati presso l’NMI di Reutlingen secondo la norma DIN EN ISO 10993-5 per la citotossicità in vitro. Vari processi di produzione di stampa 3D vengono utilizzati per elaborare i polimeri e viene utilizzato il cosiddetto elettrospinning. All’NMI, questo processo di filatura crea strutture porose che possono crescere insieme al tessuto stesso del paziente. I substrati di supporto prodotti sono caratterizzati in termini di proprietà meccaniche e biologiche. Un focus speciale è posto sulla simulazione delle proprietà meccaniche del pericardio e sul comportamento di crescita delle cellule.

La prima applicazione del polimero biomimetico è quella di stampare una nuova superficie per un sistema di supporto cardiaco extravascolare. Il sistema AdjuCor GmbH di Monaco si basa su un impianto meccanico specifico per il paziente che è posizionato completamente al di fuori del flusso sanguigno (extravascolare) nella cavità pericardica attorno alla superficie epicardica di entrambi i ventricoli. »Un materiale di sostituzione del pericardio biomimetico provocherebbe solo lievi reazioni immunitarie e porterebbe quindi a una delicata fase di guarigione. Ciò può ridurre ulteriormente le cure intensive e i ricoveri in ospedale, “spiega il cardiochirurgo e CEO del Prof. Stephen Wildhirt di AdjuCor.

Sulla strada per la maturità del mercato
Per essere ammessi sul mercato per applicazioni cliniche in futuro, sia i nuovi fotopolimeri che i metodi di elaborazione devono soddisfare requisiti estesi. Per la produzione su larga scala di fotopolimeri, è necessario osservare le linee guida GMP (inglese Good Manufacturing Practice o GMP in breve). Garantiscono la qualità dei processi produttivi e dell’ambiente. La società pro3dure medical GmbH Iserlohn stabilirà il processo di upscaling dei fotopolimeri e la sintesi di resina tenendo conto di questo GMP.

Young Optics Europe GmbH di Jena utilizza le stampanti 3D che hanno sviluppato per elaborare fotopolimeri precedentemente biocompatibili per prodotti appartenenti alle classi mediche I – IIa. Come parte del progetto PolyKARD, sarà istituito per la prima volta un sistema di stampa 3D per la produzione di dispositivi medici di classe III, che consente anche la piena tracciabilità delle materie prime utilizzate per la produzione.

Con chimica olistica per nuovi materiali
Il progetto triennale PolyKARD è iniziato nell’aprile 2019 ed è supportato dal VDI Verein Deutscher Ingenieure eV come sponsor del progetto, a nome del BMBF nell’ambito della misura di finanziamento “Innovazioni materiali per una vita sana: ProMatLeben – Polymer” (FKZ: 13XP5087D). I partner si incontreranno nuovamente il 4 febbraio 2020 per presentare le prime pietre miliari. “Abbiamo già sintetizzato e stampato con successo le prime resine elastiche di poliuretano a partire da materiali di partenza non tossici”, spiega Wolfdietrich Meyer.

»In futuro, vorremmo implementare ancora di più il concetto medico di olismo nella nostra chimica. Vogliamo
sviluppare più materiali basati su materie prime rinnovabili per la stampa 3D e l’elettrospinning, che sono biocompatibili e possono essere elaborati con la massima precisione. Teniamo inoltre d’occhio il ciclo di vita del componente e, se necessario, lo smaltimento compatibile con l’ambiente, «afferma Meyer.

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