Più di 113, 000 persone sono attualmente nella lista nazionale dei trapianti. E con una carenza di donatori, questo significa che ogni giorno circa 20 persone moriranno in attesa di un organo, secondo il Dipartimento della Salute degli Stati Uniti.

Ma questo potrebbe cambiare grazie ai ricercatori dell'UC Berkeley, che hanno sviluppato un dispositivo che potrebbe essere fondamentale per la fattibilità del bioprinting, un'estensione della stampa 3D che consente ai tessuti viventi, osso, vasi sanguigni e persino interi organi da stampare su richiesta. Un articolo su questo lavoro è stato recentemente pubblicato nel Journal of Medical Devices .

Attualmente, ci sono due grandi ostacoli che si frappongono alla stampa dell'organo. Poiché le cellule viventi e gli organi funzionanti richiedono condizioni chimiche e termiche specializzate per sopravvivere, le cellule si deteriorano durante l'effettiva stampa 3D di un organo di grandi dimensioni perché il processo è troppo lento. E anche se l'organo può essere stampato in 3D, la logistica del trasporto richiede lo stoccaggio, che è sempre stato un collo di bottiglia per i trapianti.

Per ridurre al minimo la morte cellulare durante la stampa 3D di un organo, i ricercatori di Berkeley hanno sviluppato una tecnica che impiega la parallelizzazione, in cui più stampanti producono contemporaneamente strati 2D di tessuti. Questi strati 2D vengono quindi impilati strato per strato per formare strutture 3D.

Per superare il problema dell'immagazzinamento di questi organi fabbricati, il team si è basato su sette decenni di conoscenze e tecniche per preservare le singole cellule. La loro tecnica congela ogni livello 2D immediatamente dopo che è stato unito alla struttura 3D, e questo processo di congelamento di un singolo strato di cellule fornisce le condizioni ottimali per sopravvivere al processo di congelamento, stoccaggio e trasporto.

"Proprio adesso, la biostampa viene utilizzata principalmente per creare un piccolo volume di tessuto. Il problema con la biostampa 3D è che è un processo molto lento, quindi non puoi stampare nulla di grande perché i materiali biologici si deterioreranno quando finisci. Una delle nostre innovazioni è che congeliamo il materiale mentre viene stampato, in modo che il materiale biologico sia preservato, e possiamo controllare la velocità di congelamento, " ha detto Boris Rubinsky, professore di ingegneria meccanica e coautore del paper.

Rubinsky ha anche notato che stampando prima i tessuti in 2D e poi assemblandoli in un oggetto 3D in una stazione diversa, il suo team ha accelerato notevolmente la produzione essenzialmente eliminando i tempi di stampa. Dopo che la catena di montaggio delle biostampanti crea in parallelo più strati 2-D di tessuto, un braccio robotico, potenziato da studenti di ingegneria, raccoglie lo strato e lo trasporta in un'altra stazione. Là, i tessuti vengono impilati insieme per creare un oggetto 3D e fusi tramite congelamento.

"Poiché ogni strato è impilato per formare una struttura 3D, una delle innovazioni che abbiamo implementato è stata quella di immergere la struttura 3D in un bagno criogenico per congelarla piuttosto che far riempire il bagno per incontrare ogni strato, " ha detto Joseph Sahyoun (Meng '18, ME) e coautore dell'articolo. "Questo metodo ci ha permesso di controllare la velocità di congelamento in modo più accurato".

Oltre agli organi, un'altra potenziale applicazione di questa tecnologia è il cibo. La stampa e l'assemblaggio strato per strato consentono ai produttori di esplorare diverse consistenze degli alimenti. Consente inoltre loro di sviluppare alimenti che rispondono ai bisogni delle persone malate.

"La disfagia è molto comune tra la popolazione geriatrica. Poiché questi pazienti hanno difficoltà a deglutire, vengono nutriti con cibo che è fondamentalmente poltiglia, così non hanno appetito, e il problema si aggrava, " disse Rubinsky. "Ma se puoi creare cibo con consistenza, questo potrebbe essere più appetitoso. Poi mentre masticano, il cibo si scioglierà in bocca in modo che possano deglutire e ottenere i nutrienti. La nostra tecnologia ti permette di farlo con qualsiasi tipo di cibo."

Nota che la tecnologia consente anche lo sviluppo della produzione su scala industriale di alimenti surgelati, dove la struttura dei cristalli di ghiaccio nel cibo è meticolosamente controllata nello strato unicellulare in tutto il prodotto.

"Questo è importante perché la dimensione dei cristalli di ghiaccio e l'omogeneità dei cristalli di ghiaccio sono un elemento centrale nella qualità del cibo congelato, " disse Rubinskij.

Sebbene il concetto di impilare strati sottili per creare un oggetto 3D non sia nuovo per la produzione, è nuovo farlo con materiali biologici.

"C'è una grande differenza tra i materiali utilizzati nella laminazione convenzionale, come la carta, plastica, ceramiche e metalli – che sono rigidi, anche in strati sottili, e materia biologica costituita principalmente da liquidi che lo sono molto meno." disse Gideon Ukpai, uno studente laureato nel laboratorio di Rubinsky e autore principale dell'articolo."

Così, il team ha utilizzato superfici rigide idrofile e idrofobe progettate con giudizio su cui vengono stampati gli strati 2D. Questi strati appositamente progettati consentono di trasportare i livelli 2D su distanze, indipendentemente dalla direzione della gravità, per il posizionamento su un oggetto 3D.

Oltre alla ricerca, Ukpai è stato anche mentore per il maestro degli studenti di ingegneria, che sono tutti elencati come coautori sul documento. Per future ricerche, Ukpai e una nuova coorte di studenti di ingegneria del Fung Institute lavoreranno per ottimizzare al meglio questo processo, caratterizzare i prodotti e determinare gli scenari appropriati che presentano i maggiori vantaggi.