Un team interdisciplinare di ricercatori del MIT e altrove ha sviluppato un metodo per stampare oggetti 3D in grado di controllare gli organismi viventi in modi prevedibili. La tecnica può portare alla stampa 3D di strumenti biomedici, come bretelle personalizzate, che incorporano cellule viventi per produrre composti terapeutici come antidolorifici o trattamenti topici, dicono i ricercatori.

Il nuovo sviluppo è stato guidato dal professore associato del MIT Media Lab Neri Oxman e dagli studenti laureati Rachel Soo Hoo Smith, Christoph Bader, e Sunanda Sharma, insieme ad altri sei al MIT e al Wyss Institute dell'Università di Harvard e al Dana-Farber Cancer Institute. Il sistema è descritto in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

"Li chiamiamo materiali viventi ibridi, o HLM, " dice Smith. Per i loro esperimenti iniziali di proof-of-concept, il team ha incorporato con precisione vari prodotti chimici nel processo di stampa 3D. Queste sostanze chimiche agiscono come segnali per attivare determinate risposte nei microbi ingegnerizzati biologicamente, che sono spruzzati sull'oggetto stampato. Una volta aggiunto, i microbi mostrano colori o fluorescenza specifici in risposta ai segnali chimici.

Nel loro studio, il team descrive l'aspetto di questi modelli colorati in una varietà di oggetti stampati, che dicono dimostri il successo dell'incorporazione delle cellule viventi nella superficie del materiale stampato in 3D, e l'attivazione delle cellule in risposta alle sostanze chimiche posizionate selettivamente.

L'obiettivo è realizzare uno strumento di progettazione robusto per produrre oggetti e dispositivi che incorporano elementi biologici viventi, realizzati in modo prevedibile e scalabile come altri processi di produzione industriale.

Il team utilizza un processo in più fasi per produrre i loro materiali viventi ibridi. Primo, utilizzano una stampante 3D a getto d'inchiostro multimateriale disponibile in commercio, e ricette personalizzate per le combinazioni di resine e segnali chimici utilizzati per la stampa. Per esempio, hanno scoperto che un tipo di resina, normalmente utilizzato solo per produrre un supporto temporaneo per parti sporgenti di una struttura stampata e poi dissolto dopo la stampa, potrebbe produrre risultati utili mescolandosi con il materiale in resina strutturale. Le parti della struttura che incorporano questo materiale di supporto diventano assorbenti e sono in grado di trattenere i segnali chimici che controllano il comportamento degli organismi viventi.

Finalmente, viene aggiunto lo strato vivente:un rivestimento superficiale di idrogel, un materiale gelatinoso composto principalmente da acqua ma che fornisce una struttura reticolare stabile e durevole, viene infuso con batteri biologicamente ingegnerizzati e spruzzato sull'oggetto.

"Possiamo definire forme e distribuzioni molto specifiche dei materiali viventi ibridi e dei prodotti biosintetizzati, siano essi colori o agenti terapeutici, all'interno delle forme stampate, " dice Smith. Alcune di queste forme di prova iniziali sono state realizzate come dischi delle dimensioni di un dollaro d'argento, e altri sotto forma di maschere colorate, con i colori forniti dai batteri viventi all'interno della loro struttura. I colori impiegano diverse ore per svilupparsi man mano che i batteri crescono, e quindi rimangono stabili una volta posizionati.

"Ci sono interessanti applicazioni pratiche con questo approccio, poiché i progettisti sono ora in grado di controllare e modellare la crescita dei sistemi viventi attraverso un algoritmo di calcolo, " dice Oxman. "Combinando il design computazionale, produzione di additivi, e biologia sintetica, la piattaforma HLM indica l'impatto di vasta portata che queste tecnologie possono avere in campi apparentemente disparati, il design 'ravvivante' e lo spazio degli oggetti."

La piattaforma di stampa utilizzata dal team consente di variare in modo preciso e continuo le proprietà del materiale dell'oggetto stampato tra le diverse parti della struttura, con alcune sezioni più rigide e altre più flessibili, e alcuni più assorbenti e altri idrorepellenti. Tali variazioni potrebbero essere utili nella progettazione di dispositivi biomedici in grado di fornire forza e supporto, pur essendo morbidi e flessibili per offrire comfort nei luoghi in cui sono a contatto con il corpo.

Il team comprendeva specialisti in biologia, bioingegneria, e l'informatica per elaborare un sistema che fornisca modelli prevedibili del comportamento biologico attraverso l'oggetto stampato, nonostante gli effetti di fattori quali la diffusione di sostanze chimiche attraverso il materiale. Attraverso la modellazione al computer di questi effetti, i ricercatori hanno prodotto un software che, secondo loro, offre livelli di precisione paragonabili ai sistemi di progettazione assistita da computer (CAD) utilizzati per i tradizionali sistemi di stampa 3D.

La piattaforma di stampa 3D multiresina può utilizzare da tre a sette diverse resine con proprietà diverse, mescolato in qualsiasi proporzione. In combinazione con l'ingegneria biologica sintetica, questo permette di progettare oggetti con superfici biologiche che possono essere programmate per rispondere in modi specifici a stimoli particolari come luce o temperatura o segnali chimici, in modi riproducibili ma completamente personalizzabili, e che può essere prodotto su richiesta, dicono i ricercatori.

"Nel futuro, i pigmenti inclusi nelle maschere possono essere sostituiti con sostanze chimiche utili per l'aumento umano come vitamine, anticorpi o farmaci antimicrobici, " dice Oxman. "Immagina, Per esempio, un'interfaccia indossabile progettata per guidare la formazione di antibiotici ad hoc personalizzata per adattarsi al corredo genetico del suo utente. O, considerare imballaggi intelligenti in grado di rilevare la contaminazione, o skin architettoniche rispettose dell'ambiente che possono rispondere e adattarsi, in tempo reale, ai segnali ambientali."

Nei loro test, il team ha utilizzato batteri E. coli geneticamente modificati, perché questi crescono rapidamente e sono ampiamente utilizzati e studiati, ma in linea di principio si potrebbero usare anche altri organismi, dicono i ricercatori.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.