Close-up Engeneering

Bioprinting 3D e chirurgia endoscopica: situazione attuale

Recentemente si è progettato un robot per la chirurgia endoscopica che sfrutta la tecnologia del bioprinting 3D; questa offre un gran potenziale nel trattamento dei danni ai tessuti e agli organi nel tratto gastrointestinale.

Close-up Engineering

PUBBLICATO IL: 19 Marzo 2023

Ingegneria cellulare e tissutale / Medicina

La tecnologia del bioprinting 3D offre un grande potenziale nel trattamento dei danni ai tessuti e agli organi. Il bioprinting in sito, all’interno di un corpo vivente, è una soluzione potenzialmente trasformazionale in quanto il corpo funge da eccellente bioreattore. Si è progettata una biostampante 3D multifunzionale e flessibile (F3DB), che presenta una testina con alto grado di libertà integrata in un braccio robotico flessibile che fornisce biomateriali in sito.

chirurgia robotica
Sistema flessibile di biostampante 3D – Credits: Advanced Science

Situazione attuale della chirurgia endoscopica

Per le procedure chirurgiche, le suture sono utilizzate principalmente per promuovere la guarigione dei tessuti. Tuttavia, il fallimento della chiusura della ferita o dei difetti del tratto gastrointestinale o di altre superfici può portare a complicazioni inaspettate, come le infezioni. La lesione della parete gastrica è tra le malattie più comuni nel tratto gastrointestinale ed è dovuta alla debolezza della mucosa creata da H. pylori. Il trattamento tipico per questa malattia include principalmente farmaci e interventi di chirurgia endoscopica. Mentre l’efficacia del metodo farmacologico è normalmente lenta, la chirurgia è associata a complicazioni. Anche se l’uso del colloide attraverso l’irrorazione con un endoscopio è attualmente utilizzato per fermare il sanguinamento, questo metodo non ricostruisce la struttura 3D della ferita.

team chirurgico
Un team chirurgico mentre esegue un’operazione.

Situazione attuale sul bioprinting 3D

Recentemente è emersa la tecnologia del bioprinting 3D con biomateriali che incorporano cellule viventi (bioinks) e farmaci per creare costrutti viventi 3D (ad esempio: cerotto cardiaco o cerotto gastrointestinale) per il trattamento di una varietà di condizioni. Gli approcci di bioprinting 3D hanno il potenziale per molte applicazioni biomediche tra cui la riparazione senza sutura del difetto gastrointestinale e la medicina rigenerativa. Attualmente, i costrutti 3D vengono realizzati al di fuori del corpo umano e vengono incubati in vitro prima dell’impianto o stampati esternamente in 3D e poi impiantati in vivo utilizzando la chirurgia.

bioprinting
Bioprinting 3D – Credits: Tenor

Problematiche del bioprinting 3D

Poiché i biomateriali sono normalmente costituiti da strutture morbide e fragili, possono verificarsi danni strutturali durante il processo di manipolazione manuale, trasferimento e trasporto. Anche gli elevati rischi di contaminazione dovuti all’esposizione diretta alla piattaforma di fabbricazione e all’ambiente circostante sono problemi importanti. Inoltre, gli ambienti di stampa 3D esterni non sono paragonabili al corpo vivente che funge da eccellente bioreattore per i biomateriali. Si richiede un intervento chirurgico in campo aperto per l’introduzione di materiali stampati nel corpo; ciò può portare a un tempo di recupero più lungo ed a un costo medico più elevato.

bioprinting
In figura una stampante 3D che utilizza il bioink per la creazione di nuovi tessuti.

Possibili soluzioni per le problematiche riscontrate

Per superare queste sfide si utilizzano dei biomateriali viventi che vengono depositati in sito con le tecniche di bioprinting. Uno degli approcci più semplici è l’uso di uno strumento portatile che fornisce direttamente i biomateriali nel tessuto difettoso. Sebbene questo metodo consenta il bioprinting in sito, è limitato alle aree danneggiate, alle superfici esterne della pelle o ai siti accessibili che richiedono un grande intervento chirurgico in campo aperto. Gli strumenti portatili limitano l’accesso a molti altri organi e tessuti, come: cuore, colon, intestino e rene e a loro volta. Inoltre, rappresentano un alto rischio di infezione e tempi di recupero più lunghi. Oltretutto, gli strumenti portatili si controllano manualmente, dunque portano ad una bassa precisione delle strutture stampate e/o ad una bassa velocità di risoluzione.

3D Bioprinting
Stampa di un biomateriale mediante la tecnologia del bioprinting 3D – Credits: popsci.com

Le recenti scoperte

Recentemente, in uno studio si è introdotto un approccio di bioprinting in cui si è iniettato il biomateriale vivente direttamente sulla superficie della pelle o vicino ad essa. Si è poi erogata la luce del vicino infrarosso attraverso la pelle per indurre la fotoreattività dei biomateriali. Sebbene questo metodo di iniezione offra benefici minimamente invasivi, ha una penetrabilità superficiale della luce che è insufficiente per la reticolazione dei biomateriali. Quindi questa procedura è limitata solo ai siti di stampa in cui la profondità è inferiore a 5 mm.

bioprinting 3d
Configurazione bioprinting 3D in vitro e applicazione in vivo con l’iniezione del biomateriale – Credits: Nature Biomedical Engineering

In un altro studio si è recentemente sviluppato un ago robotico morbido, controllato da un computer, in grado di stampare in sito. Nonostante i progressi, questo approccio richiede grandi magneti permanenti e una complessa schermatura magnetica per controllare la punta dell’ago. Questo, inoltre, ha accesso al sito bersaglio solo tramite un’incisione cutanea. Il controllo di flessione della punta è limitato a causa dell’uso di campi magnetici esterni, che non sono adatti a operare vicino a materiali ferromagnetici o a raggiungere siti complessi all’interno del corpo.

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Apparecchiatura con ago robotico utilizzata per il Bioprinting 3D – Credits: Biofabrication

Il sistema robotizzato per la chirurgia

Per affrontare le problematiche, si è progettata una nuova biostampante 3D miniaturizzata e flessibile (F3DB) in grado di fornire direttamente biomateriali sulle superfici di organi e tessuti interni. Si compone di: una testina di stampa ad alto grado di libertà e di un braccio robotico morbido, ambedue montati su un corpo lungo e flessibile serpentiforme. Il dispositivo può accedere ad aree confinate e difficili da raggiungere all’interno del corpo attraverso piccole incisioni cutanee o gli orifizi naturali umani. L’F3DB condivide un’architettura simile con i sistemi chirurgici flessibili esistenti tramite una configurazione master-slave.

Si è sviluppato il braccio robotico utilizzando funzionalità avanzate in attuatori idraulici morbidi, mentre la testina di stampa 3D si è montata sul braccio robotico morbido per formare una biostampante 3D completa. Il dispositivo è azionato utilizzando muscoli artificiali morbidi e controllato da un modello di inversione cinematica. L’area di lavoro, la risposta in frequenza, la durata e la generazione di forza dell’F3DB sono convalidati sperimentalmente.

Analisi dei dati

Le capacità di stampa si sono valutate con un rene suino e un colon artificiale utilizzando vari materiali come: cioccolato alimentare, elastomero di silicone liquido e composito gel. Questo si è valutato con diversi modelli e su molteplici superfici. I ricercatori hanno dimostrato come il nuovo dispositivo riesca a stampare biomateriali multistrato con dimensioni e forme diverse in aree difficili da raggiungere, grazie al braccio flessibile. Per dimostrarne le potenzialità, il team di ricerca ha testato la vitalità delle cellule presenti nel biomateriale appena stampato. Dalle analisi si è scoperto che le cellule non sono state influenzate dal processo. Inoltre, oltre ad essere vive, hanno continuato a proliferare nei 7 giorni successivi con un numero di 4 volte superiore dall’esecuzione della stampa. 

robot colon
Prestazioni di stampa della F3DB con diversi materiali e forme su varie superfici. a) Stampa di cioccolato liquido con forme rettangolari e circolari. b, c) Stampa 3D di gel composito a base di polimeri cationici, siliconi, alcol e olio d’oliva su una superficie piana con tre strati i), cinque strati ii) e sette strati iii). d) Stampa 3D di gel composito su una superficie piana con diverse forme e strati. e) Stampa circolare di cioccolato liquido su superficie piana con riempimento concentrico e multisito di cioccolato liquido. f) Stampa 3D in sito di cioccolato liquido a due strati. – Credits: Advanced Science

Conclusioni e prospettive future

Il team ritiene che F3DB potrebbe essere utilizzato come strumento chirurgico endoscopico all-in-one, poiché in grado di svolgere contemporaneamente più funzioni. Potrebbe, per esempio, diventare fondamentale per rimuovere alcuni tumori, in particolare nel cancro del colon retto.

AUTORE

Maddalena Ranzato

Sono una studentessa magistrale di Ingegneria Clinica presso l'Università degli Studi di Trieste. Nel 2021 mi sono laureata in ingegneria biomedica presso l'Università degli Studi di Padova. La mia passione per la scrittura nasce già alle superiori con lo studio delle materie umanistiche al liceo classico. Sono appassionata da tutto ciò che è legato al mondo della medicina e dell'ingegneria, soprattutto la rigenerazione dei tessuti e la creazione di organi artificiali. Attualmente lavoro nell'ambito dell'ingegneria clinica ospedaliera.

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