L’emergenza sanitaria che stiamo vivendo ci ha dimostrato che la sanità può avere richieste inaspettate di materiali e soluzioni. Occorre rapidità, basso costo e le soluzioni offerte devono adattarsi alla domanda. Inoltre è cruciale una collaborazione aperta e basata su dati tra la clinica e la ricerca biomedicale. La stampa 3D ha tutte le potenzialità per rispondere a questi requisiti. E lo ha dimostrato proprio durante la pandemia. Numerosi respiratori, ventilatori, maschere, filtri e perfino farmaci sono stati stampati in 3D.

Nel settore biomedicale è una tecnologia già matura. La tecnica si basa sulla deposizione di materiale strato dopo strato. Il risultato è la realizzazione di manufatti tridimensionali capaci di acquisire forme, caratteristiche e funzioni differenti. La personalizzazione è assicurata, perché il progetto digitale del manufatto può iniziare dai dati raccolti dal paziente.

Il biomedicale e la stampa 3D in Europa

Un report redatto dallo European Patent Office nel 2020 mostra un rapido aumento nelle domande di brevetto per prodotti realizzati tramite stampa 3D. La crescita media annua è pari al 36%. La Germania, con il 19% delle richieste di brevetto, è il paese leader a livello europeo. E il settore con il maggior numero di nuove invenzioni è proprio quello della salute.

La stampa 3D trova varie applicazioni nell’ambito della realizzazione di protesi. È un mercato in espansione per lo sviluppo di sistemi di trasporto e rilascio controllato di farmaci. Una volta superate alcune limitazioni, potrà fornirci prototipi sperimentali e veri e propri organi per la sostituzione di quelli malati.

Tuttavia l’identificazione del materiale di elezione da usare per tutte le applicazioni è ancora paragonabile alla ricerca del santo Graal.

La stampa 3D e i materiali

Polveri, plastiche, ceramiche, metalli, liquidi o cellule viventi rendono possibile la realizzazione di una grande varietà di manufatti tramite la stampa 3D. Ciascuno di questi materiali però trova applicazioni solo in un campo ristretto. Mostra una limitata versatilità delle sue proprietà.

Ad esempio, gli idrogel sono usati nel campo dell’igiene e come vettori di farmaci. La ceramica serve per produrre protesi ossee. I polimeri sono impiegati negli impianti cranio-facciali o per creare un’impalcatura che assista la rigenerazione delle ossa.

Le applicazioni diversificate e le differenti caratteristiche dei materiali impongono protocolli e tecniche di stampa diversi. A oggi sono conosciuti 18 processi diversi di stampa.

Inoltre la produzione di uno stesso manufatto è soggetta a grande variabilità. Dipende dalla stampante usata, dal tipo di materiale di partenza e dall’operatore. Una standardizzazione e la certificazione dei parametri di processo e della composizione del materiale sono auspicabili. Saranno garanzia di riproducibilità e qualità.

A cosa guarda l’innovazione?

Ad oggi, i polimeri e metalli sono i materiali ancora più utilizzati. Ma compaiono rapidamente sul mercato materiali innovativi dotati di nuove proprietà. Il materiale di cui andiamo in cerca deve mostrare una robusta integrità meccanica e un’elevata capacità di carico. Al contempo, deve garantire proprietà di bioattività, biocompatibilità e biodegradabilità. Non deve rilasciare sostanze tossiche. Infine deve mostrare resistenza alla sterilizzazione.

Un'area significativa di ricerca si concentra nei materiali compositi e ibridi. La più grande aspirazione del bioprinting è la creazione di organi interi e funzionanti, dove supporti ingegnerizzati e cellule convivono. Ma come catalogare questi veri e propri pezzi di ricambio? Sono organi o manufatti? E in più, mancano ancora precise indicazioni legali e regolatorie sull’uso di questo particolare biomateriale.

E un ulteriore frontiera della ricerca è quella sui materiali deformabili. I materiali deformabili possono cambiare forma se esposti a fattori scatenanti esterni come luce o calore o sostanze chimiche. Sono i materiali “intelligenti” di elezione per la stampante 4D.

Sono fibre di carbonio o compositi tessili personalizzati. Hanno proprietà di auto-trasmutazione e attivazione programmabile. Grazie a tali materiali, le potenziali applicazioni della stampa 4D possono essere classificate in auto-assemblaggio, multifunzionalità e auto-riparazione.

Sono proprietà fondamentali in ambito medico. Dispositivi medici, come le valvole cardiache, potrebbero trarne grandi vantaggi. Ma lo stesso si potrebbe affermare per le protesi ossee, che potrebbero assemblarsi correttamente una volta impiantate.

La stampante 3D mi fa risparmiare?

Purtroppo la risposta è negativa. Secondo i dati raccolti da Wohlers Associates nel 2019, i polimeri per la stampante 3D sono da 20 a 100 volte più costosi di quelli per la produzione tradizionale e sottrattiva. Inoltre non viene eliminato completamente il materiale di scarto a causa di processi di stampa mal riusciti.

Il vantaggio deriva dalla creazione di manufatti on demand. Scompare la giacenza di materiale. La produzione avviene solo al bisogno.

Nemmeno il riuso dei materiali consente un guadagno o un risparmio. Il riciclo dei materiali rappresenta un guadagno ambientale ma non economico. Infatti il costo dei materiali riciclati dipende dai prezzi di mercato del materiale vergine.

Inoltre il riciclo dei materiali per la stampa in 3D è un campo ancora aperto alla sperimentazione. Occorre dimostrare che il materiale riciclato è in grado di conservare le stesse proprietà del materiale vergine. E per le applicazioni in ambito biomedicale le conseguenze sono importanti.

Approfondimento di Giulia Annovi

Giulia Annovi ha un dottorato in biologia molecolare e rigenerativa. Ha studiato presso il master di giornalismo scientifico digitale della SISSA di Trieste. Scrive di medicina e innovazione e del delicato rapporto tra salute e ambiente. Con Il Pensiero scientifico editore ho pubblicato il libro "Nelle reti".