Il processo STAMP usa la stampa 3D per creare muscoli artificiali per la medicina e la robotica

I tessuti muscolari scheletrici artificiali sono particolarmente importanti per lo sviluppo di modelli in vitro per la ricerca sulle malattie o per l’uso in robot bioibridi. Tuttavia, la produzione tradizionale di questi muscoli presenta alcune difficoltà, in quanto i monostrati muscolari 2D spesso si staccano dopo pochi giorni e non sono adatti per l’uso a lungo termine o per l’imaging di cellule vive. Si tratta una tecnica in cui delle cellule viventi vengono esaminate al microscopio o con altre tecniche di imaging. Per questo motivo, gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno studiato una nuova tecnica che permette al tessuto muscolare artificiale di contrarsi in più direzioni e di imitare i movimenti dei muscoli naturali. Nello studio è stato presentato un metodo di lavorazione microtopografico che permette di controllare con precisione l’allineamento delle fibre muscolari, in cui la produzione additiva ha svolto un ruolo particolarmente importante. I muscoli potrebbero essere utilizzati nella medicina rigenerativa, nella ricerca sulle malattie muscolari e nella robotica.

Il nuovo processo denominato “Simple Templating of Actuators via Micro-Topographical Patterning” (STAMP) si serve di timbri stampati in 3D per imprimere microscopiche scanalature direttamente all’interno di idrogel naturali. Questi timbri consentono di modellare con precisione la superficie dell’idrogel, creando strutture topografiche che guidano l’organizzazione delle cellule muscolari durante la crescita.

Ma come funziona esattamente la procedura? Il primo passo consiste nella realizzazione dei timbri stampati in 3D. Questi sono progettati per adattarsi a piastre multipozzetti da 24 pozzetti e presentano sottili scanalature verticali (da 12,5 a 125 μm). I timbri vengono poi fissati in un supporto con sistema di rilascio delle bolle e nei pozzetti viene versato un liquido composto da fibrinogeno e trombina. L’intero processo viene incubato a 37 °C per circa un’ora, consentendo alla fibrina di polimerizzare e dare origine a un idrogel reticolato. Una volta rimosso il pistone, l’idrogel mostra una struttura scanalata precisa e regolare, oltre a una superficie più liscia, che migliora le condizioni per la coltura cellulare. I timbri vengono sterilizzati prima dell’uso e possono essere riutilizzati più volte dopo averne affettuato un’adeguata pulizia.

Per testare il metodo, i ricercatori hanno sviluppato un’iride artificiale che assomiglia a un attuatore bioibrido progettato per imitare il modo in cui la pupilla dell’occhio umano si espande e si contrae. La struttura presentava due orientamenti delle fibre muscolari: una formava cerchi concentrici e l’altra si irradiava verso l’esterno. Entrambe le strutture combinate hanno prodotto contrazioni in risposta alla stimolazione luminosa, dimostrando un grado di coordinazione che normalmente è difficile da replicare nel tessuto muscolare artificiale.

È importante notare che le fibre muscolari naturali non crescono in linee perfettamente rette, ma variano il loro orientamento nel corpo, dando loro una maggiore possibilità di movimento. I muscoli artificiali, invece, sono spesso vincolati dalla trazione in un’unica direzione, un vincolo che rende difficili i movimenti complessi degli attuatori bioibridi. Con il processo STAMP, invece, la crescita muscolare può essere controllata in modo specifico, così che il tessuto artificiale si avvicini funzionalmente al modello biologico reale. Inoltre, le simulazioni al computer hanno dimostrato che le fibre muscolari generate con il metodo STAMP sono in grado di contrarsi in modo coordinato e multidirezionale, un risultato poi confermato anche dai test sperimentali.

L’uso della stampa 3D offre diversi vantaggi, ma soprattutto garantisce l’accessibilità del processo di stampaggio, perché grazie alla produzione additiva è possibile stampare scanalature microscopiche che riproducono esattamente le dimensioni delle cellule muscolari. Il processo è anche conveniente, può essere effettuato in una singola fase operativa e permette un allineamento cellulare estremamente preciso. I timbri stampati in 3D possono essere riutilizzati dopo una semplice pulizia a ultrasuoni, contribuendo così a rendere il metodo più sostenibile. Sebbene lo studio si sia focalizzato sul tessuto muscolare scheletrico, il metodo non è limitato a un solo tipo cellulare: i ricercatori ritengono infatti che possa essere adattato anche per la creazione di neuroni, cellule muscolari cardiache e altri tipi di tessuti.

In futuro, i ricercatori intravedono applicazioni anche al di fuori dell’ambito medico, ad esempio nello sviluppo di alternative energeticamente efficienti ai componenti meccanici impiegati nella robotica morbida. In questo campo, dove la flessibilità è fondamentale, i robot potrebbero diventare più adattabili e meglio integrabili in ambienti complessi. Per saperne di più clicca QUI.

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*Crediti per tutte le foto: MIT and Biomater. Sci