A cura di Nicoletta Gargano, ing. Biomedico

La stampa 3D è un particolare tipo di processo che realizza oggetti tridimensionali attraverso la stratificazione di materiali. Essa è supportata da uno speciale software di modellazione tridimensionale CAD/CAM.

In campo medico, negli ultimi dieci anni e in particolare nell’ultimo anno, si è riscontrato un incremento dell’utilizzo di tale tecnologia. Il suo successo è dovuto al fatto che si accelerano in modo evidente i tempi di produzione, ottenendo prodotti di elevata qualità.

Esistono diversi metodi di stampa, ove la principale distinzione è quella in base al tipo di materiale utilizzato: polvere, solido e liquido. La sinterizzazione laser selettiva utilizza materiali in polvere e un legante. Per quanto riguarda i materiali liquidi esistono due tecnologie adottate: la fotopolimerizzazione a raggi UV o laser e la stampa a getto. Infine, ci sono dispositivi che impiegano materiali solidi che ottengono la stampa con tecnologia ad incollaggio o ad estrusione.

Nell’ambito medico, la stampa 3D viene largamente utilizzata nella realizzazione di protesi odontoiatriche e protesi acustiche, poiché offrono grande affidabilità e adattabilità ai singoli pazienti. Ma quello protesico non è l’unico impiego: infatti, è stata utilizzata anche per realizzare simulatori di organi per interventi di chirurgia complessi e per riprodurre materiali e tessuti cellulari. A tal proposito, è importante evidenziare la rilevanza del grafene, scoperto nel 2004 presso l’Università di Manchester dal prof. Andre Geim e dal dottorando Konstantin Novoselov.

Graphene, 3D printing and scaffold process

Esso è un materiale dalle eccezionali proprietà. Nella ricerca biomedica, è perfetto per interagire con la materia organica. Le strutture stampate con grafene supportano la crescita, la proliferazione e l’attività delle cellule per un tempo di almeno trenta giorni. Sono state dimostrate la sua ottima biocompatibilità e le sue caratteristiche eccezionali di maneggevolezza, grazie ad esperimenti chirurgici condotti sui cadaveri. Queste proprietà, associate alla semplicità di produzione mediante stampa 3D, portano alla creazione di una vasta gamma di dispositivi biomedicali.

L’elevata conducibilità del materiale facilita il passaggio di segnali elettrici nonchè della differenza di potenziale elettrico cellulare; la stimolazione elettrica porta alla rigenerazione di nervi, della muscolatura cardiaca e delle strutture ossee. Il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Maria Vallet-Regì presso la facoltà di Farmacia di Madrid ha dimostrato che, se vengono mescolati nanotubi di carbonio (CNT) in una matrice polimerica di policaprolattone (PCL), composto biostampabile, per creare una rete elettrica 3D tra il tessuto osseo, è possibile stimolare la ricrescita dell’osso. I CNT, in pratica, sono fogli di grafene arrotolati su se stessi per formare filamenti molto lunghi dal diametro di pochi nanometri. Il contenuto di CNT varia tra 0 e 10% in peso in una matrice di PCL. La tecnica di stampa 3D consente di produrre ponteggi compositi aventi una rete interconnessa di pori quadrati nell’intervallo di 450-700 micron.

CNT, nanotubi al carbonio in PCL

Il ponteggio di nanotuboli, al 2% in peso, offre la migliore combinazione di comportamento meccanico e conducibilità elettrica. La sua resistenza alla compressione di ~4 MPa è compatibile con l’osso trabecolare. I compositi con idrossiapatite mostrano tipicamente bioattività, buona adesione cellulare e buona diffusione dei ponteggi sulla superficie.

Nel dettaglio, la stimolazione elettrica, dopo l’impianto di biomateriale, permette l’attrazione degli ioni caricati dall’ambiente alle cellule modificando l’adsorbimento delle proteine, questo porta ad una accelerazione del processo di osteointegrazione, quindi alla guarigione ossea.

CNT, nanotubi di carbonioLe difficoltà riscontrate in laboratorio per la produzione del composto sono concentrate nella ricerca della giusta viscosità per mantenere la robustezza dei ponteggi 3D. Una volta mescolati PCL e idrossiapatite sono stati aggiunti i CNT, con un certo tempo di agitazione, raggiungendo un’adeguata dispersione.

Questi risultati hanno mostrato come questi innesti ossei, realizzati con stampa 3D, sono strumenti più che validi nella accelerazione della ricrescita ossea. Inoltre, queste linee di ricerca hanno portato alla produzione e allo studio di sistemi in bioceramica per il rilascio controllato di specie biotecnologiche e antitumorali, nanoparticelle e matrici biocompatibili per applicazioni biotecnologiche. Inoltre sono precursori di applicazioni di materiali mesoporosi per la terapia genica e di trasfezione. Dagli studi condotti è risultato che la stampa 3D risulta essere una delle migliori -se non la migliore- applicazioni nella medicina rigenerativa.

Bibliografia
Materiali e stampa 3D: una nuova rivoluzione industriale
I 3 principali metodi di lavorazione per le stampanti 3D
Three-dimensional printed PCL-hydroxyapatite scaffolds filled withCNTs for bone cell growth stimulation
Exclusive: 3D Bioprinted Carbon Nanotubes Used to Stimulate Bone Regrowth
Stampanti 3D per il settore medico
Le potenzialità del grafene per i dispositivi biomedicali stampabili in 3D
Case study sulla stampa 3D

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