Immaginate un mondo in cui possiamo stampare organi umani, non solo in 3D, ma con la capacità di crescere ed evolversi come tessuti viventi. Questa è la promessa della stampa 5D. In questa guida esploreremo come questa tecnologia innovativa vada oltre la stampa tradizionale, introducendo materiali auto-crescenti che potrebbero rivoluzionare la medicina e la produzione. Continuando a leggere, scoprirete il potenziale impatto sui trapianti di organi, sullo sviluppo di entità simili alla vita e sul futuro dell'intelligenza artificiale. Siete pronti a tuffarvi nel futuro della fabbricazione?
Nel febbraio 2013, l'americano Skylar Tibbits ha introdotto il concetto di stampa 4D e cinque mesi dopo l'accademico Lu Bingheng della Xi'an Jiaotong University ha proposto il concetto di stampa 5D.
In un articolo intitolato "Development Roadmap of 3D Printing Technology" pubblicato sulla China Information Week il 29 luglio 2013, l'accademico Lu Bingheng è stato il primo a suggerire che la stampa 5D è l'attuale forma di stampa cellulare, in cui i tessuti e gli organi viventi di cui abbiamo bisogno possono essere creati attraverso la stampa.
Ha poi descritto la stampa 5D in più occasioni, spiegando che con il passare del tempo non solo la forma cambia, ma anche la funzionalità si evolve. Ad esempio, nella stampa di organi umani, dopo aver stampato un'impalcatura, le cellule umane vengono incorporate al suo interno e, nel giusto ambiente, si trasformano in diversi tessuti, diventando infine un organo.
Naturalmente, la stampa 5D è molto più di un semplice concetto: se la stampa 4D aggiunge la dimensione del tempo alla stampa 3D, utilizzando materiali intelligenti per l'autoassemblaggio, la stampa 5D introduce la capacità di autocrescita, che non è semplicemente l'aggiunta di un'altra dimensione, ma l'espansione in più dimensioni.
È importante notare che: in primo luogo, mentre la stampa 5D utilizza ancora la tecnologia di stampa 3D, i materiali stampati sono cellule viventi e fattori biologicamente attivi che possiedono vitalità. Questi biomateriali devono subire cambiamenti funzionali durante il loro successivo sviluppo; pertanto, è necessario considerare fin dall'inizio una progettazione del ciclo di vita completo.
In secondo luogo, l'attuale produzione 5D a forma libera si riferisce alla lavorazione a cinque assi a livello di tecnologia di produzione, che rientra ancora nell'ambito della produzione 3D ed è completamente diversa dal concetto di stampa 5D, priva di un ruolo di primo piano nell'innovazione scientifica e tecnologica.
È evidente che la stampa 5D trasformerà la produzione tradizionale, caratterizzata da strutture statiche e prestazioni fisse, in una funzionalità dinamica e mutevole, superando i paradigmi produttivi convenzionali in direzione dell'intelligenza strutturale e della genesi funzionale.
Questo porterà cambiamenti dirompenti nella tecnologia di produzione e nell'intelligenza artificiale, evolvendo la produzione di entità non viventi in entità simili alla vita con la capacità di cambiare forma e proprietà.
A breve termine, questa tecnologia potrebbe rivoluzionare i trapianti di organi e i servizi sanitari per gli esseri umani; a più lungo termine, ha il potenziale di creare una nuova direzione per la scienza manifatturiera e la scienza della vita, guidando uno sviluppo innovativo nell'intelligenza artificiale.
L'essenza della stampa 5D sta nel fabbricare tessuti con funzioni vitali, offrendo all'uomo la possibilità di fabbricare organi funzionali su misura. La tecnologia per la fabbricazione di tessuti e organi artificiali è un'area chiave sostenuta da aziende manifatturiere globali.
Ad esempio, l'"Outlook on Manufacturing Challenges for 2020" degli Stati Uniti identifica la fabbricazione di tessuti biologici come una delle principali direzioni dell'alta tecnologia; la "Relazione strategica sul futuro della produzione: 2015-2020" della Commissione europea suggerisce di concentrarsi sullo sviluppo di biomateriali e protesi artificiali, posizionando la biotecnologia come una delle quattro principali discipline alla base del futuro della produzione;
La roadmap tecnologica della Japan's Society of Mechanical Engineers evidenzia la microbiomeccanica per promuovere la rigenerazione dei tessuti come una delle dieci direzioni di ricerca. Sia il settore internazionale che quello nazionale hanno raggiunto parziali applicazioni cliniche e l'industrializzazione nella produzione di sostituti umani personalizzati e tessuti attivi simili a membrane.
Tuttavia, la fabbricazione ingegneristica di tessuti e organi attivi complessi pone ancora molte sfide. Attualmente, ci sono più di 300 istituzioni e aziende in tutto il mondo che si dedicano alla ricerca e allo sviluppo della tecnologia 3D biologica.
Tra questi, il Wake Forest Institute for Regenerative Medicine negli Stati Uniti ha ottenuto una serie di risultati pionieristici nel campo del 3D biologico: sono stati i primi a stampare con successo cellule staminali e a indurre la differenziazione di tessuto osseo funzionale; in collaborazione con l'U.S. Army Institute of Regenerative Medicine, hanno sviluppato una stampante 3D per la pelle; hanno anche stampato in 3D strutture simili a "reni artificiali".
A livello internazionale, sono state sviluppate strutture di rete vascolare integrate eterogenee e dispositivi di stampa cellulare integrati eterogenei, che hanno prodotto strutture cellulari eterogenee come i patch di osso cranico umano e la cartilagine dell'orecchio.
In Cina è stata realizzata la stampa di ossa, denti, impalcature di cartilagine dell'orecchio e strutture vascolari, con applicazioni cliniche preliminari; sono stati prodotti anche modelli di cellule staminali di glioblastoma e modelli di fibre eterogenee multicellulari di tumori cerebrali. Rinomate università cinesi, tra cui la Tsinghua University, la Xi'an Jiaotong University, la Zhejiang University, la South China University of Technology, la Sichuan University e la Jilin University, hanno condotto ricerche approfondite in questo campo.
Il divario tra alcune aree di produzione biologica nazionali e il livello avanzato internazionale si sta riducendo, e alcune raggiungono addirittura una posizione di leadership a livello globale.
La stampa 5D rappresenta la convergenza tra la tecnologia di produzione e la tecnologia delle scienze della vita, dove la progettazione, la fabbricazione e la regolazione intenzionali sono al centro. Le principali questioni chiave includono i seguenti cinque aspetti.
Partendo dalla comprensione delle proprietà di autocrescita delle entità viventi, è necessario sviluppare teorie per la progettazione strutturale e funzionale di cellule e geni allo stadio elementare e durante il processo di crescita.
Le sfide principali includono: in primo luogo, superare le teorie di progettazione meccanica esistenti, incentrate sulla progettazione strutturale e sulla funzione meccanica, per sviluppare metodi di progettazione che co-evolvono la struttura, l'attuazione e la funzione; in secondo luogo, comprendere le leggi che regolano la replicazione e l'auto-replicazione di cellule e geni per progettare la composizione e la struttura di cellule allo stato iniziale che crescono secondo le proprie regole;
e terzo, condurre ricerche su materiali, processi di produzione e metodi di controllo ingegneristico per entità viventi che siano degradabili, possiedano un'adeguata resistenza ingegneristica e possano essere attivate e coltivate in determinati ambienti.
Nella stampa 5D, le unità viventi fungono da base per la crescita e lo sviluppo dei tessuti, con singole cellule o geni che costituiscono il nucleo della successiva manifestazione funzionale. L'accumulo su micro e nano scala di queste unità viventi richiede lo studio dei loro principi di impilamento e delle loro interrelazioni.
Regolando le relazioni intercellulari, possiamo controllare la struttura spaziale tridimensionale e le funzioni, facilitando così la crescita dei tessuti e la rigenerazione funzionale. Il tratto distintivo della stampa 5D è la rigenerazione funzionale di entità viventi, la cui vitalità deve essere preservata.
Pertanto, la produzione di entità viventi richiede un ambiente di coltivazione adeguato, compreso il controllo di nutrienti, ossigeno, anidride carbonica e altre condizioni atmosferiche nel terreno di coltura, per creare una sinergia tra l'ambiente biologico e il processo di stampa.
È fondamentale studiare i meccanismi e le innovazioni di processo che consentono a diversi materiali e strutture di crescere in vari tessuti e funzioni in determinati ambienti. Le strutture e le funzioni iniziali della stampa 5D devono svilupparsi in funzionalità finali in ambienti specifici.
Ciò richiede la comprensione del rapporto tra la formazione delle funzioni e la produzione di progetti, nonché delle leggi dei cambiamenti funzionali nel tempo nei sistemi multicellulari.
Ciò include le relazioni di interconnettività e interazioni cellulari che, attraverso i loro effetti, costruiscono funzioni per il rilascio di energia (cellule muscolari) o la trasmissione di informazioni (neuroni), fornendo una base tecnica per lo sviluppo di dispositivi multifunzionali.
Le entità viventi sono organizzazioni funzionali controllabili dalle informazioni, simili al ruolo dei neuroni negli animali e negli esseri umani. Nella stampa 5D è fondamentale esplorare quali materiali e strutture possono sostituire le funzioni neurali, come trasmettere correttamente i segnali elettrici o chimici e come guidare la formazione di varie funzionalità nei tessuti.
La ricerca sui tessuti neurali e cerebrali aiuterà a stabilire organizzazioni di trasmissione delle informazioni basate sulle caratteristiche naturali dell'uomo, facendo progredire ulteriormente l'intelligenza artificiale con un'organizzazione naturale simile a quella del cervello.
L'attuale deep learning nell'intelligenza artificiale si basa sulla congettura del modello, sull'addestramento dei dati, sull'accumulo continuo di apprendimento e utilizza persino algoritmi genetici biologici per realizzare funzioni di intelligenza artificiale, proprio come gli aerei hanno sostituito gli uccelli.
In futuro, entità simili al cervello potrebbero utilizzare la stampa 5D per impiantare chip in organi ricreati o artificiali, imparare dall'interconnettività casuale dei neuroni del cervello umano per creare potenti chip biologici o utilizzare i geni per replicare interamente un cervello biologicamente attivo.
La raccolta di informazioni, il controllo decisionale e l'attuazione tra il cervello artificiale, gli organi originali umani e vari organi artificiali sono aree che attendono ulteriori ricerche e innovazioni.
Nell'implementazione della tecnologia di stampa 5D, è essenziale comprendere i principi di progettazione e produzione. Per ottenere organi specifici o dispositivi biologici, è necessario impegnarsi nella progettazione sistematica della crescita strutturale e funzionale.
Si tratta di capire come regolare le combinazioni cellulari o genetiche nella stampa 5D, come controllare i danni indotti dal processo all'organismo vivente durante la stampa e come gestire le funzioni degli organi o dei dispositivi formati, nonché gli interventi e la guida nella crescita cellulare.
È necessario comprendere la relazione tra la stampa 5D e la formazione funzionale, valutare e misurare le funzioni di dispositivi o tessuti multifunzionali e stabilire un sistema di ricerca che integri la progettazione di unità di vita, la stampa senza danni e la creazione di funzioni. Questo fornisce il supporto tecnico necessario per sviluppare organi e dispositivi con proprietà biologiche.
La stampa 5D sposterà la produzione da materiali come legno, metallo e silicio a materiali biologici, passando da strutture immutabili a dispositivi in grado di rigenerarsi funzionalmente.
Per raggiungere questo obiettivo, è fondamentale stabilire tecniche di progettazione e produzione trasformative guidate dalla funzionalità e far progredire la tecnologia di produzione attraverso l'integrazione interdisciplinare. Lo State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing Systems Engineering della Xi'an Jiaotong University ha condotto esplorazioni promettenti nella direzione dello sviluppo della stampa 5D.
L'infarto del miocardio è una malattia grave che rappresenta una minaccia significativa per la salute umana. I patch cardiaci ingegnerizzati esistenti mancano di proprietà elettrofisiologiche e non sono in grado di stabilire una conduzione del segnale elettrico con il miocardio ospite, non riuscendo così a ottenere una contrazione sincrona e compromettendo gravemente il recupero funzionale del miocardio infartuato.
Pertanto, è necessaria una ricerca sull'integrazione delle funzioni di rilevamento conduttivo nei tessuti cardiaci tradizionali. Ciò comporta l'utilizzo della tecnologia di stampa 3D multimateriale micro/nano per ottenere la produzione integrata e controllabile di impalcature cardiache con rilevamento conduttivo, offrendo nuovi mezzi per esplorare la patogenesi e il trattamento dell'infarto miocardico.
Questa ricerca porterà la biomanifattura dalla fabbricazione tradizionale di impalcature allo sviluppo di impalcature intelligenti con sensori conduttivi. Simulando la struttura in micro/nanofibre della matrice extracellulare cardiaca naturale, è stata condotta una ricerca sulle tecniche di stampa elettrostatica su micro/sub-microscala di fibre conduttive composite multimateriali.
Utilizzando la stampa elettrostatica per fusione, sono state prodotte microfibre di poli(caprolattone) (PCL) con un diametro di 9,5μm±1,5μm; utilizzando la stampa elettrostatica in soluzione, sono state prodotte fibre conduttive di poli(3,4-etilendiossitiofene)/poli(stirenesolfonato)-ossido di polietilene (PEDOT:PSS-PEO) con un diametro di 470nm±76nm.
Le fibre conduttive in microscala PEDOT:PSS-PEO hanno mostrato un'eccellente conduttività, con una conduttività di 1,72×103S/m. Utilizzando un metodo di accumulo strato per strato, sono state create impalcature composite multistrato, costituite da impalcature di microfibre multistrato con varie orientazioni e impalcature conduttive in micro/sub-microscala, come illustrato nella Figura 8-17.
L'impalcatura composita multistrato ha mostrato proprietà meccaniche favorevoli nella direzione delle fibre, con un modulo elastico di circa 13,0 MPa. Le misurazioni della conduttività dell'impalcatura hanno dimostrato che l'aggiunta di fibre conduttive in microscala PEDOT:PSS-PEO ha aumentato significativamente la conduttività dell'impalcatura.
Inoltre, le impalcature conduttive in micro/sub-microscala hanno mantenuto una conduttività stabile in ambiente acquoso, gettando le basi per i successivi esperimenti sulle cellule.
I cardiomiociti primari, le cellule più importanti del tessuto cardiaco, forniscono la forza per la contrazione del cuore e il flusso sanguigno.
È stata studiata l'influenza della suddetta impalcatura composita multistrato sulla crescita orientata e sul battito sincrono di cardiomiociti primari di ratto. Dopo otto giorni di co-coltivazione, è stato osservato che i cardiomiociti primari erano in grado di crescere lungo fibre PCL di dimensioni micrometriche e di formare reti cellulari complesse e orientate su fibre conduttive PEDOT:PSS-PEO di dimensioni sub-micrometriche.
Le cellule hanno espresso anche quantità sostanziali di proteine specifiche per il cuore, come l'α-actinina e la CX43. L'analisi di quantificazione della fluorescenza ha rivelato che la quantità di queste proteine espresse sulle fibre conduttive PEDOT:PSS-PEO sub-micrometriche era significativamente più alta rispetto alle fibre PCL micrometriche.
Questo dimostra che le fibre conduttive sub-micrometriche PEDOT:PSS-PEO hanno aumentato la conduttività dell'impalcatura, migliorando la trasmissione del segnale elettrico intercellulare, l'espressione delle proteine e la capacità di battere dei cardiomiociti. Inoltre, il design orientato e stratificato dell'impalcatura conduttiva multistrato ha ulteriormente facilitato il battito sincrono dei cardiomiociti primari.
Le neuroscienze sono oggi una delle direzioni più significative della ricerca scientifica e un apice della competizione scientifica tra le nazioni. Nel 2013 il Presidente degli Stati Uniti Obama ha annunciato la Brain Initiative, subito seguita dall'Unione Europea e dal Giappone con il lancio rispettivamente dello Human Brain Project e del Brain/Minds Project.
Nel "13° Piano quinquennale" della Cina, la scienza del cervello e la ricerca sul cervello sono al quarto posto tra i 100 progetti principali. Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità, le malattie cerebrali come il Parkinson, l'Alzheimer, l'autismo e la depressione sono diventate un onere sociale maggiore delle malattie cardiovascolari e del cancro. A causa della limitata comprensione della loro patogenesi, in quasi tutti i casi mancano trattamenti efficaci.
Nella scienza del cervello e nella ricerca sulle malattie cerebrali, la mancanza di donatori di tessuto cerebrale umano è diventata un grosso ostacolo. I tessuti cerebrali animali non possono rappresentare appieno le caratteristiche del cervello umano; pertanto, la costruzione di modelli in vitro che imitino da vicino il tessuto cerebrale umano naturale è un requisito inevitabile per il progresso delle neuroscienze.
La funzionalità dei neuroni nel tessuto cerebrale e la loro segnalazione sono fondamentali per la funzione cognitiva. La disposizione di queste cellule, i loro tipi e le loro densità all'interno degli strati corticali sono alla base delle zone funzionali della corteccia cerebrale. Passare dalla comprensione del cervello alla sua creazione segna la direzione per lo sviluppo di computer simili al cervello.
La costruzione morfologica e funzionale in vitro del tessuto cerebrale dipende dalla progettazione biomimetica e dalla produzione precisa di tipi di neuroni, strutture costruttive e combinazioni di neuroni corrispondenti alle aree funzionali target. Questa è una direzione lungimirante che la stampa 5D di funzioni biologiche simili al cervello dovrebbe perseguire.
Nello sviluppo di apparecchiature per la costruzione in vitro di tessuti simili al cervello, è stato progettato e assemblato un sistema integrato di stampa e coltura cellulare. Può stampare simultaneamente varie cellule e componenti della matrice, con una velocità della testina di stampa da 100 a 1000 mL/min e una precisione di movimento del piano di lavoro X-Y non superiore a 20μm.
È in grado di stampare strati di tessuto di spessore compreso tra 100 e 300μm, mantenendo una temperatura della camera di stampa di 37°C±1°C. Le concentrazioni di ossigeno e anidride carbonica sono regolabili, con deviazioni di concentrazione entro ±1%, fornendo una piattaforma per la stampa in vitro di tessuti multicellulari simili a quelli cerebrali, come mostrato nella Figura 8-18.
Sulla base delle apparecchiature di stampa esistenti, i parametri del processo di stampa sono stati ottimizzati per soddisfare i requisiti di stampa delle cellule neuronali, ottenendo la preparazione di tessuti neurali tridimensionali vitali che incapsulano cellule neuronali primarie di ratto con una vitalità cellulare post-stampa di oltre 94%.
Il tessuto cerebrale naturale è costituito principalmente da due tipi di cellule neurali: i neuroni e la neuroglia. Utilizzando la suddetta piattaforma, abbiamo costruito modelli di tessuto neuronale puro, tessuto misto di neuroni e cellule gliali e strutture di tessuto complesse con neuroni e cellule gliali che coesistono in una disposizione spaziale tridimensionale predefinita.
Questa configurazione ha permesso la co-coltura in vitro di neuroni e cellule gliali del tessuto cerebrale attivo in varie relazioni strutturali spaziali. La ricerca indica che i neuroni, posizionati in modo adiacente ma stratificato rispetto alle cellule gliali, possono presentare morfologie ed espressioni biochimiche che ricordano maggiormente i tessuti cerebrali naturali rispetto ai neuroni coltivati da soli in vitro.
Questo modello fornisce una rappresentazione più accurata e una base di ricerca per la coesistenza di cellule neurogliali e neuroni da una prospettiva tridimensionale, ponendo le basi per successivi sforzi di scienza del cervello e studi farmacologici patologici utilizzando modelli in vitro.
Le macchine esistenti sono limitate dalla bassa efficienza di conversione energetica e dalla flessibilità. I robot bioispirati flessibili e multidirezionali, alimentati da tessuto muscolare o cellule viventi, rappresentano il futuro delle macchine bio-simbiotiche con un'elevata efficienza di conversione energetica, sicurezza intrinseca e agilità di movimento. A tal fine, è necessaria una ricerca sui metodi di produzione di compositi multicellulari/multimateriali per i robot bioispirati.
Questa ricerca mira a fornire un approccio di produzione rapida ripetibile e personalizzabile basato sui requisiti funzionali della locomozione di robot simili alla vita che integrano sistemi biologici e meccanici.
Per la progettazione dell'entità biologica, abbiamo sviluppato una microstruttura a rapporto di Poisson negativo per la coltivazione e la differenziazione delle cellule muscolari. Questo design migliora il grado di differenziazione delle cellule muscolari e la forza di contrazione del tessuto muscolare, fornendo al contempo la protezione e i nutrienti necessari per mantenere l'attività a lungo termine dell'entità biologica.
Per quanto riguarda la fabbricazione dell'entità biologica, è stata utilizzata la stampa 3D per fabbricare biocomponenti. La ricerca sperimentale sulla crescita e la differenziazione delle cellule muscolari scheletriche ha rivelato che queste cellule possono differenziarsi in fibre muscolari mature, gettando le basi per la costruzione di entità biologiche funzionali. Inoltre, abbiamo costruito un robot ibrido bio-meccanico strisciante ispirato alla lumaca di mare.
In termini di regolazione della funzionalità dell'entità biologica, è stata creata una piattaforma di stimolazione ad accoppiamento multi-campo. Sono stati condotti studi sui meccanismi di regolazione degli stimoli bionici di arricchimento ambientale (come stimoli elettrici e meccanici) sulle prestazioni di guida dell'entità biologica.
Per quanto riguarda le prestazioni di guida dei robot bioispirati, è stato sviluppato per il robot un modello cinematico e dinamico basato su un sistema molla-ammortizzatore del secondo ordine. Utilizzando una piattaforma sperimentale cinematica e dinamica, sono stati eseguiti test sulle prestazioni di guida del robot. I risultati hanno mostrato che, sotto una stimolazione a impulsi a onda quadra con frequenza di 50 Hz e tensione di 1 V, il robot poteva strisciare in avanti a una velocità di 2 mm/s.
La ricerca citata esplora le potenziali direzioni future per i robot del corpo vivente.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
IT 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO