Stampa in 3D di un cuore umano: a che punto siamo?

Nel corso degli ultimi anni lo sviluppo tecnologico a servizio della medicina ha fatto e sta facendo passi da gigante. Dalla stampa di un mini pancreas per testare medicine sul diabete alla creazione di un rene artificiale sono moltissime le evoluzioni che ci fanno guardare al futuro con ottimismo.

Tra queste ci sono anche quelle che riguardano un organo fondamentale del nostro corpo, il cuore, di cui vi avevamo già parlato per quanto riguarda lo sviluppo di un cuore artificiale.

Stavolta ritorniamo sull’argomento in relazione al rapporto fra il nostro muscolo più importante e la stampa 3D.

Ma, prima di tutto, cos’è e come funziona la stampa 3D?

Cos’è e come funziona la stampa in 3D 

Ideata negli anni ‘80, la stampa 3D, ha consentito alle aziende di sviluppare prototipi in modo rapido e più accurato rispetto ad altri metodi.

Oggi i suoi usi sono diversificati (ve ne parlavamo in questo articolo di luglio dello scorso anno) e appassionati, designer, ingegneri, medici utilizzano questa tecnologia per una vasta gamma di applicazioni, grazie anche al calo dei costi che l’hanno resa sempre più accessibile nel corso del tempo.

Il processo di stampa 3D prevede la costruzione di strati su strati di plastica fusa e via via che ogni livello viene impostato, quello successivo viene stampato fino alla costruzione finale dell’oggetto.

Grazie al file G-code vengono fornite le coordinate che guidano i movimenti della stampante e il risultato sarà più accurato tanto più ci sono livelli stampa.

Non esiste, a differenza di quanto si possa pensare, una sola tecnologia di stampa 3D e le più utilizzate sono la stampa 3D FF, la SLA (stereolitografia) e la SLS (sintetizzatore laser selettiva). La prima prevede l’espulsione di una stringa spessa di materiale, comunemente definita filamento, attraverso una cannella riscaldata che viene spostata intorno a un’area di costruzione, dove il filamento fuso viene depositato su una piastra in costruzione che a sua volta, durante il processo di raffreddamento e solidificazione, si abbassa di una frazione di millimetro, strato dopo strato, fino al completamento dell’oggetto; la seconda utilizza una resina polimerizzabile ai raggi UV che viene versata in un contenitore con un fondo in vetro, in cui è immersa una piattaforma in costruzione, e viene indurita con un laser fino alla creazione della forma richiesta; la terza, infine, utilizza una materia in polvere (il polimero genericamente), depositata in un contenitore dove una lama distribuisce un sottile strato di materiale sull’area di costruzione, mentre un laser fonde insieme le piccole particelle di materiale per iniziare a dare forma all’oggetto. A questo punto il contenitore si sposta di una frazione di millimetro per iniziare un nuovo strato e la lama scorre attraverso l’area di costruzione per depositare un nuovo strato di materia prima, fino alla creazione dell’oggetto finito.

Attualmente il materiale più comunemente utilizzato nella stampa 3D sono i polimeri plastici ma stanno iniziando a essere sviluppate macchine di grandi dimensioni basate sulla tecnologia di stampa 3D per materiali da costruzione come il cemento, e tipi di stampanti 3D tradizione come FFF e SLS possono stampare miscele di polimeri e altri materiali come legno, metallo e vetro.

Zurigo e Sydney: da dove passa la storia del cuore umano in 3D

Nel luglio del 2014 La Stampa riportava la notizia che un nuovo importante passo in avanti era stato fatto nell’uso delle stampanti 3D per quanto riguardava la produzione di organi umani (tra cui il cuore) grazie alla nuova tecnica di stampa messa a punto da un’equipe guidata dallo specialista in biomateriali Luiz Bertassoni dell’Università di Sydney, in collaborazione quelle di Harvard, Stanford e del MIT.

‘Un passo da gigante’, secondo lo scienziato che però vedeva ancora lontana la ‘fabbricazione di organi su ordinazione’, pur riconoscendo che ‘la direzione è quella giusta’.

Un percorso che appena 3 anni dopo faceva tappa in Svizzera, al Laboratorio di Materiali Funzionali dell’ETH di Zurigo, con i risultati ottenuti dal team di ricercatori guidato da Nicholas Cohrs e relativi alla produzione di un cuore artificiale costruito grazie a una stampante 3D, completamente in silicone e in grado di pompare sangue.

Da Tel Aviv la prima stampa in 3D di un cuore umano

Una tecnologia, quella della stampa 3D, che nell’aprile del 2019 ha portato i ricercatori dell’Università di Tel Aviv a creare il primo cuore al mondo stampato in 3D, realizzato con tessuti e vasi sanguigni umani.

‘In passato le persone sono riuscite a stampare in 3D la struttura di un cuore ma non con cellule o con vasi sanguigni.’, dichiarò all’epoca il professor Tal Dvir, tra i co-autori di quest’ultima ricerca, ‘Questa è la prima volta che qualcuno ha progettato e stampato con successo un cuore completo, pieno di cellule, vasi sanguigni, ventricoli e camere’.

‘Forse, tra 10 anni, ci saranno stampanti di organi nei migliori ospedali di tutto il mondo e queste procedure verranno eseguite di routine’ completava la sua affermazione il professor Dvir.

Una ricerca a cui ha fatto seguito, nel 2020, quella della Carnegie Mellon University.

Dalla stampa del cuore a quella di singoli elementi cardiaci

La ricerca in questione, condotta dagli ingegneri dell’Università statunitense guidati dal professor Adam Feinberg e pubblicata su ACS Biomaterials Science and Engineering, aveva come obiettivo quello di utilizzare la tecnologia di bioprinting per creare un modello realistico e a grandezza naturale di un cuore.

Un modello di nuova creazione in grado di consentire ai medici di “manipolare” letteralmente il cuore, sperimentando reazioni simili al lavoro con tessuti veri e con materiali morbidi come il collagene, per il quale i ricercatori hanno escogitato un metodo particolare di stampa 3D (normalmente quando tali sostanze vengono stampate collassano rapidamente durante il processo).

Il nuovo modello di cuore è stato realizzato con un materiale chiamato alginato, una sostanza morbida e naturale a base di alghe che ha proprietà molto simili ai tessuti che compongono il corpo umano.

Il team capitanato da Feinberg ha anche sperimentato la realizzazione di pezzi di tessuto progettati per copiare la funzione dei singoli elementi cardiaci, come valvole che si aprono e si chiudono di vasi sanguigni realistici e anche un modello di arteria cardiaca che potrebbe essere utilizzata per la formazione dei medici.

Il futuro della stampa 3D in medicina

Il gruppo di ricerca ha affermato che gli stessi metodi di stampa 3D potrebbero essere utilizzati per creare anche altri modelli di organi realistici, come fegati o reni, mentre l’ex studente della Carnegie Mellon Eman Mirdamadi, altro ricercatore capo del progetto, ha parlato di grandi ostacoli che impediscono ancora al processo di bioprinting di produrre un cuore umano funzionante a grandezza naturale.

Gli ultimi progressi stanno aiutando a stabilire, come sottolineato da Mirdamadi, le ‘fondamenta fondamentali’ del futuro della medicina.

‘Quando lo stupore è al suo apice, in quel momento non dubito più di nulla’ (Eugéne Ionesco)