3D printed ear with light on the back of a mouse

Gianluca Riccio

Medicine

For the first time, a research team manages to print tissues directly inside a body: a 3D printed ear on the back of a mouse can change biomedical engineering.

La bioingegneria diventata sempre più complessa e articolata. Utilizzando nient’altro che luce e Bio inchiostro, gli scienziati sono stati in grado di stampare direttamente una struttura simile a un orecchio umano sotto la pelle dei topi.

The team used a healthy ear as a model and printed a 3D ear from a mirror image of it (layer of tissue over layer of tissue) directly on the back of a mouse.

All without a single surgical cut.

Se state pensando che la cosa un po’ inquietante, non posso darvi torto: tuttavia, la proof of concept è eclatante. The team showed that it is possible to build or reconstruct layers of tissue, even complex ones like an ear, without any surgical implant.

This means that it may one day be possible to repair an ear or other genetic or injury tissue damage directly at the injury site. I only saw things like that on Star Trek, and I considered them among the most advanced.

3D bioprinting, printing with light

The technology, 3D bioprinting based on digital light treatment (DLP), has gained a lot of attention over the past decade due to its versatility. In this interesting article di addetti ai lavori trovate un compendio esaustivo della materia e del suo stadio dell’arte.

L’idea di base è quella di iniettare bioink contenente cellule nel tessuto danneggiato, quindi illuminare questi “calchi” per “attivare” le cellule nel bio inchiostro. A seconda del tipo di cellula, possono quindi riparare i fili spinali, le fibre nervose o i vasi sanguigni danneggiati.

In this study, published last week in Science Advances, il team ha fatto un passo avanti nella tecnica. Usando il design assistito dal computer, hanno progettato più forme e immesso i dati in un dispositivo digitale che ha generato una “matrice” di raggi infrarossi.

Questi raggi penetrano nei tessuti e praticamente li costruiscono dall’interno.

Within 20 seconds, the team was able to generate the basic shape of a human ear on a living mouse. L’orecchio stampato in 3D ha mantenuto la sua struttura sofisticata per più di un mese.

No scalpels

Sottolineo la fondamentale importanza di questi studi, perché la necessità di interventi chirurgici è il vero limite attuale all’ingegneria dei tessuti.

Most of the fabric prototypes printed in 3D oggi viene realizzata all’interno del laboratorio, dove gli scienziati possono mantenere un controllo più diretto sulla crescita del tessuto.

Tutti gli approcci tentati hanno un punto in comune: alla fine richiedono un intervento chirurgico. Il tessuto deve essere raccolto e inserito chirurgicamente nel punto danneggiato, e l’intervento può generare danni all’impianto e ai tessuti circostanti. Le conseguenze? Da lunghi soggiorni in ospedale alla ripetizione degli interventi chirurgici, fino alla rimozione dell’impianto.

Magic wand

Nel nuovo approccio oggetto di questo post ho premesso che gli scienziati hanno usato “la luce” per stampare un orecchio in 3D con il bio inchiostro. Un po’ come per certe ricostruzioni dentali, la luce è usata per “attivare” le cellule del bio inchiostro e per polimerizzano. Così, di fatto, si può stampare un nuovo tessuto direttamente su un altro, o addirittura sottopelle.

Conventionally, ultraviolet or blue light is used to aid bioprinting, but has little ability to penetrate tissues. And it can also cause damage, burns to nascent and surrounding tissues.

La luce infrarossa può invece attivare il bioink e brillare in profondità nei tessuti. Poiché è possibile regolare diversi modelli spaziali di luce per attivare il bio inchiostro in modo diverso, sia all’interno di uno strato che tra gli strati, il team ha adoperato la luce come un vero e proprio scalpello.

Nel primo test, in soli 15 secondi il team ha stampato un singolo strato di strutture a forma di conchiglia all’esterno del corpo. Hanno poi iniziato a stampare in 3D un’ampia varietà di forme: una torta a tre strati, un omino di pan di zenzero (non scherzo), una stella marina e altre.

3D print inside the body

Dopo i diversi test fatti, il team ha puntato al bersaglio grosso: stampare in 3D un tessuto direttamente NEL corpo. “È un po ‘più difficile,” spiegano i ricercatori, perché il livello di ossigeno all’interno di un organismo vivente può inibire l’effetto di reticolazione, il che significa che l’inchiostro può non diventare solido”.

La sostanza dei fatti è che il team ha trovato le giuste lunghezze d’onda. E alla fine ha generato un modello di orecchio da stampare in 3D, riempiendolo poi con dei condrociti, cellule che costituiscono la struttura della cartilagine dell’orecchio.

A better way to heal?

Costruire nuovi tessuti non è l’unica cosa che la tecnologia può fare. I tessuti si possono anche riparare. In an additional study, the team found that the same approach can cure serious injuries.

In un altro test, il team ha stampato un’impalcatura contenente cellule in topi che soffrivano di lesioni muscolari, e ha usato la luce per attivare il tessuto stampato. Entro 10 giorni, i topi “hanno mostrato una significativa chiusura della ferita” rispetto a un gruppo di controllo.

Putting it all together: è la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di rigenerare i tessuti all’interno del corpo, promuovendo al contempo la guarigione delle ferite, senza alcun intervento chirurgico.

Certo, c’è una lunga strada tra “stampare un orecchio umano in 3D sul dorso di un topo” e “rigenerare un orecchio ferito”, ma lo studio dimostra che è possibile.

But the future looks bright. This work will open a new avenue for 3D printing research and advance the field of non-invasive medicine.

To report research, discoveries and inventions, contact the editorial team!

Near Future & Everyday Fact

Alberto Robiati and Gianluca Riccio guide readers through scenarios of the future: the opportunities, risks and possibilities we have to create a possible tomorrow.

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