Sviluppo e implementazione di sistemi di stampa 3D per applicazioni biomediche

Abstract

I test su strutture tridimensionali (scaffold), potrebbero diventare un metro di valutazione sempre più affidabile per la scelta di farmaci e delle loro composizioni, contribuendo fin da subito alla diminuzione dell'uso di animali da laboratorio fino alla ricostruzione di organi funzionanti da poter impiantare nei pazienti malati senza il rischio di rigetto. I tipici sistemi manifatturieri a sottrazione di materiale non riescono a riprodurre le complesse strutture e le proprietà funzionali dei vari tessuti, per questo motivo si vuole sfruttare l’additive manufacturing e la sua potenzialità di realizzare oggetti con forme pensate in quasi totale libertà di producibilità. Al fine di verificare quali fossero i parametri di stampa rilevanti da introdurre nel processo di conversione dei modelli, sono state progettate due stampanti 3D per la micro-estrusione, una dedicata ai processi di stampa per congelamento e la seconda dedicata alla stampa in condizioni sterili. Il modello di analisi e sviluppo del progetto ha attraversato quattro fasi fondamentali. La prima si è concentrata sull’identificazione dei tessuti da sviluppare, tra cui i soft-tissue come l’epidermide sono risultati essere i meno complessi da riprodurre o riparare. Il materiale selezionato doveva essere in grado di gelificare, attribuendo specifiche caratteristiche meccaniche allo scaffold, per questo motivo sono state utilizzate soluzioni chitosano-based e alginato-based. Nella terza fase si è valutato il comportamento del materiale per poter infine scegliere la migliore tecnologia di estrusione. Successivamente sono stati stampati diversi modelli e geometrie al fine di essere inseminati per i test in-vitro, prima o dopo la gelificazione, per poi essere destinati all’incubatore. La prima macchina presentata possiede un letto di raffreddamento capace di raggiungere i -20°C e un singolo estrusore. La stampante ha dimostrato una elevata capacità di riproduzione dei modelli e le strutture sviluppate mostrano un considerevole aumento delle performance in termini di crescita cellulare, tali da poter ripristinare le funzionalità dei tessuti. La stampante 3D con due estrusori risulta capace di gestire accuratamente materiali poco viscosi e contenenti cellule oltre che mostrare un’assenza di contaminazione da batteri grazie all’installazione sotto cappa sterile. Inoltre la corretta modifica del software ha permesso di utilizzare più materiali nella stessa stampa e gestire correttamente materiali misti. Infatti proprio la parte di modellazione software risulta essere particolarmente importante in tutte le fasi di stampa e attraverso l’esplorazione empirica, delle correlazioni tra CAD, CAM, firmware e modello realizzato di questo campo ancora poco conosciuto, si vogliono trovare le linee guida per lo sviluppo di una stampante capace di riprodurre organi e tessuti.