Il bioprinting comprende tre fasi principali:1. Pre-bioprinting, che comprende la progettazione della struttura, preparazione bioink, e valutazione della stampabilità. Le leggi della fisica possono aiutare gli scienziati a preparare bioink con parametri sintonizzabili per il miglior risultato di fabbricazione; 2. Il processo di bioprinting, che comporta la consegna di ottimizzati, bioinchiostri come preparati nella forma desiderata utilizzando un sistema controllato da computer; 3. Post-biostampa, la fase più critica, che incorpora la quarta dimensione del bioprinting, tempo. Questa fase coinvolge diversi processi di autoassemblaggio cellulare governati da leggi fisiche. La fisica dell'autoassemblaggio cellulare è stata studiata dai ricercatori per ottenere tessuti/organi biostampati funzionali e vitali. Credito:Ashkan Shafiee
Le stampanti 3D possono essere utilizzate per creare una varietà di oggetti utili costruendo una forma, strato per strato. Gli scienziati hanno usato questa stessa tecnica per "biostampare" i tessuti viventi, compresi muscoli e ossa.
La biostampa è una tecnologia relativamente nuova che è avanzata principalmente per tentativi ed errori. Gli scienziati stanno ora utilizzando le leggi della fisica e la modellazione predittiva al computer per migliorare queste tecniche e ottimizzare il processo di bioprinting. Questi nuovi progressi sono esaminati nel numero del 4 giugno di Recensioni di fisica applicata .
Le biostampanti più utilizzate sono l'estrusione, stampanti a getto d'inchiostro e laser. Ogni tipo implica una fisica leggermente diversa, e ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi.
Ha detto il co-autore Ashkan Shafiee, "L'unico modo per ottenere una transizione significativa dalla fase di "prova ed errore" alla fase di "previsione e controllo" del bioprinting è comprendere e applicare la fisica sottostante".
Una stampante per estrusione carica un materiale, noto come bioinchiostro, in una siringa e lo stampa forzando l'inchiostro fuori con un pistone o la pressione dell'aria. Il bioinchiostro può essere una raccolta di cellule viventi pure o una sospensione di cellule in un idrogel o un polimero. Le biostampanti a getto d'inchiostro funzionano in modo simile, ma utilizzano un cristallo piezoelettrico o un riscaldatore per creare goccioline da una piccola apertura. Le stampanti laser focalizzano un raggio laser su un nastro, dove si stende un sottile strato di bioinchiostro, e si traduce in un'elevata vitalità cellulare.
I prodotti biologici creati dalla bioprinting in genere non sono immediatamente utilizzabili. Sebbene la stampante possa creare una configurazione iniziale di celle, queste celle si moltiplicheranno e si ricomporranno in una nuova configurazione. Il processo è simile a quello che avviene quando si sviluppa un embrione, e le cellule si fondono con altre cellule e si ordinano in nuove regioni.
Le tecniche di modellazione al computer sono state sviluppate a metà degli anni 2010 per ottimizzare la fase di autoassemblaggio post-stampa del bioprinting, dove piccoli frammenti di tessuto vengono consegnati in un materiale di supporto con la forma della struttura biologica desiderata, come un organo, con bioinchiostro. I piccoli frammenti poi si sviluppano ulteriormente e si autoassemblano nella struttura biologica finale.
Il modello prevede equazioni che descrivono le forze di attrazione e repulsione tra le cellule. Gli autori hanno dimostrato che le simulazioni che utilizzano questo metodo, noto come dinamica delle particelle cellulari, o CPD:prevedere correttamente il modello in cui un insieme di celle verrà assemblato dopo la fase di stampa iniziale.
