Scoperto un modo per stampare tessuti 3D direttamente nel corpo senza chirurgia

La rivoluzione silenziosa della medicina rigenerativa si fa strada attraverso le onde sonore. Mentre il nostro corpo invecchia, i meccanismi naturali di autoriparazione perdono progressivamente efficacia: la cartilagine delle ginocchia si consuma, le articolazioni dell'anca non reggono più il peso, e interventi chirurgici per patologie come il cancro al seno lasciano vuoti che il corpo non può colmare autonomamente. Finora, la soluzione standard consisteva in protesi standardizzate o, più recentemente, in tessuti bioartificiali stampati in 3D da impiantare chirurgicamente - con tutti i rischi associati di cicatrici, infiammazioni e lunghi tempi di recupero. Ma un recente progresso scientifico potrebbe cambiare radicalmente questo scenario.

Un team del California Institute of Technology ha infatti sviluppato una tecnologia rivoluzionaria che permette di stampare tessuti in 3D direttamente all'interno del corpo, senza necessità di interventi chirurgici. La tecnica, denominata DISP (deep tissue in vivo sound printing), utilizza un bioinchiostro iniettabile che rimane liquido alla temperatura corporea ma solidifica in strutture definite quando viene colpito da onde ultrasoniche mirate.

Le implicazioni cliniche di questa innovazione sono potenzialmente vastissime. Durante i test, i ricercatori sono riusciti a stampare tessuti all'interno dello stomaco di un coniglio e della vescica di un topo, dimostrando la versatilità della tecnologia anche in organi difficilmente accessibili. Hanno inoltre incorporato nanoparticelle conduttive per creare biosensori flessibili e depositi di farmaci - sia antitumorali che antibatterici - che rilasciano il loro contenuto quando stimolati con ultrasuoni.

La bioprinting tradizionale ha sempre dovuto fare i conti con un limite fondamentale: la luce. Le tecniche convenzionali, che depositano strati successivi di materiale solidificati mediante luce, o anche i più recenti metodi di stampa volumetrica che solidificano strutture 3D con un singolo fascio luminoso calibrato, sono vincolate dalla profondità di penetrazione della luce nei tessuti.

La luce infrarossa, ad esempio, può modellare impianti sotto un sottile strato di pelle e muscolo, ma si attenua e si disperde rapidamente penetrando nei tessuti più profondi. Questo limita drasticamente la possibilità di stampare impianti a profondità superiori a pochi millimetri sotto la pelle.

Gli ultrasuoni, invece, offrono un vantaggio decisivo in questo contesto. Possono raggiungere organi profondi - fino a circa venti centimetri - senza danneggiarli. La stessa tecnologia utilizzata per monitorare le gravidanze può ora innescare reazioni chimiche controllate all'interno del corpo.

Nel 2023, Yu Shrike Zhang e colleghi di Harvard avevano già sviluppato un "sono-inchiostro" che si solidificava quando colpito da onde sonore a frequenza specifica. Il team aveva stampato diverse forme all'interno di tessuti di maiale isolati e riparato danni tissutali in un cuore di capra. Tuttavia, questo inchiostro era sensibile allo stress e ad altre interferenze corporee, risultando in una stampa lenta e a bassa risoluzione.

La vera innovazione del team del Caltech risiede nella formulazione avanzata del bioinchiostro. Questa miscela contiene catene molecolari che normalmente fluttuano liberamente ma si agganciano tra loro quando ricevono un segnale molecolare specifico. Queste molecole sono accompagnate da bolle lipidiche contenenti agenti leganti che vengono rilasciati quando esposti agli ultrasuoni. Un ulteriore componente incapsulato include sostanze chimiche che disperdono le onde sonore e si illuminano quando colpite da ultrasuoni specifici, permettendo ai ricercatori di visualizzare la posizione dell'inchiostro e verificare la formazione della struttura desiderata.

Applicazioni terapeutiche innovative

Le potenzialità terapeutiche di questa tecnologia sono molteplici. In topi con cancro alla vescica, il team ha stampato un deposito che rilasciava lentamente farmaci antitumorali, superando il problema dei trattamenti convenzionali che vengono rapidamente eliminati dall'organismo. Un patch di bioinchiostro permetterebbe di concentrare i farmaci direttamente sul tumore per periodi più lunghi.

In un altro esperimento, i ricercatori hanno stampato tessuti artificiali diversi centimetri sotto la pelle nei muscoli delle zampe e nel ventre di conigli, dimostrando l'efficacia della tecnologia nel ristrutturare tessuti in animali di dimensioni maggiori.

Il bioinchiostro può inoltre essere personalizzato con nanotubi di carbonio, nanofili e altre strutture biocompatibili per applicazioni bioingegneristiche. In un test, il team ha caricato l'inchiostro con nanoparticelle conduttive e stampato sensori elettronici per misurare l'attività dei tessuti viventi, aprendo la strada a dispositivi di monitoraggio dei segnali fisiologici come l'attività cardiaca e muscolare.

Un aspetto particolarmente promettente riguarda la sicurezza: l'inchiostro rimane stabile per almeno 450 giorni e non sembra provocare risposte immunitarie. L'organismo elimina l'eccesso di inchiostro attraverso il normale metabolismo, oppure può essere dissolto con un trattamento comunemente usato per contrastare l'avvelenamento da metalli pesanti.

Nonostante questi progressi, restano sfide da superare. I tessuti bersaglio differiscono per profondità, forma e dimensione, fattori che possono alterare il modo in cui gli ultrasuoni rimbalzano e solidificano il bioinchiostro. La stampa su organi in movimento - polmoni, cuore e stomaco - presenta complessità ancora maggiori.

In questo contesto, l'intelligenza artificiale potrebbe giocare un ruolo cruciale. Algoritmi avanzati potrebbero analizzare le relazioni tra onde sonore, temperatura, materiali e interazioni corporee per simulare e guidare meglio il processo di stampa. Un controller basato su IA che combini il monitoraggio in tempo reale potrebbe adattarsi rapidamente ai cambiamenti nello stato del corpo, garantendo che il bioinchiostro si solidifichi secondo i piani.

Sebbene ci sia ancora molta strada da percorrere prima dell'uso clinico di routine, i recenti progressi dimostrano che questa tecnologia ha la versatilità necessaria per trovare ampie applicazioni in medicina rigenerativa, aprendo scenari finora relegati alla fantascienza: riparare dall'interno, senza bisturi, i tessuti danneggiati del nostro corpo.