Osso stampato in 3D? Si, ma di vetro, funziona meglio dei sostituti tradizionali

A prima vista, l’idea di sostituire un osso con del vetro potrebbe suonare come una pessima idea, quasi una boutade da film di fantascienza di serie B. Eppure, i due materiali hanno in comune più di quanto si pensi. Entrambi, infatti, sopportano egregiamente il peso (compressione) ma tollerano molto meno l’essere allungati (trazione), a causa delle loro strutture cristalline. Partendo da questa base, un nuovo studio pubblicato su ACS Nano e pubblicizzato anche dall’Associazione dei Chimici Americani, ha sviluppato un “bio-vetro” stampabile in 3D che non solo funziona, ma si è dimostrato più efficace dei sostituti ossei commerciali.

Il problema: stampare il vetro non è uno scherzo

La silice, l’ingrediente principale del vetro, ha un vantaggio non da poco: può esistere in forma liquida e quindi essere “stampata” in 3D per creare forme complesse, come una protesi perfettamente modellata su una sezione ossea mancante. Fin qui, tutto bene. Il problema è che i metodi attuali presentano due grossi ostacoli:

• Agenti plastificanti tossici: Molti processi richiedono l’uso di sostanze chimiche per rendere il vetro malleabile, sostanze che non vorremmo certo avere nel nostro corpo.
• Temperature da altoforno: In alternativa, il vetro deve essere fuso a temperature elevatissime, superiori ai 1.100 °C, rendendo il processo complesso e costoso.

Insomma, la tecnologia c’era, ma era poco pratica e potenzialmente pericolosa per applicazioni mediche dirette. Il problema che dovevano superare i ricercatori era quello di compensare questi grossi handicaplegati alla sua lavorazione. Una situazione non facile.

Da Phys.org, ecco come funziona il nuovo osso prodotto 3D

La soluzione: un gel di bio-vetro a “bassa temperatura”

È qui che entra in gioco l’innovazione dei ricercatori Jianru Xiao, Tao Chen e Huanan Wang. Il loro team ha sviluppato un gel di vetro bio-attivo stampabile che aggira entrambi i problemi. La ricetta, se così possiamo chiamarla, combina:

• Particelle di silice con carica opposta.
• Ioni di calcio e fosfato, noti per stimolare la formazione di cellule ossee.

Questo mix crea un gel che può essere facilmente modellato da una stampante 3D a temperatura ambiente. Una volta ottenuta la forma desiderata, il pezzo viene solidificato in una fornace a una temperatura relativamente “mite” di 700 °C. Un bel risparmio energetico e una complessità decisamente inferiore. Le sostanze chimiche utilizzate sono bio-compatibili

Il test della verità: la riparazione del cranio nei conigli

La teoria è affascinante, ma è la pratica che conta. I ricercatori hanno quindi testato il nuovo materiale per riparare danni al cranio in conigli vivi, mettendolo a confronto con altri due materiali:

1. Un gel di vetro di silice semplice, sempre stampato in 3D.
2. Un sostituto osseo dentale disponibile in commercio.

I risultati sono stati sorprendenti. Sebbene il prodotto commerciale abbia mostrato una crescita ossea iniziale più rapida, il bio-vetro ha vinto sulla lunga distanza. Dopo otto settimane, la maggior parte delle nuove cellule ossee era cresciuta proprio sull’impalcatura di bio-vetro, dimostrando una capacità di sostenere la rigenerazione in modo più duraturo ed efficace rispetto al sostituto commerciale. Un sostituto in vetro semplice non ha invece presentato alcuna crescita ossea.

Questo lavoro dimostra l’esistenza di un metodo semplice ed economico per stampare in 3D un sostituto osseo che potrebbe avere applicazioni vastissime, dalla chirurgia ricostruttiva all’odontoiatria, aprendo la strada a soluzioni personalizzate e più efficaci per i pazienti. Ora le ricerche potranno proseguire con una sperimentazione che, progressivamente, si avvicinerà all’uomo. Magari un giorno, quando diranno che un pugile ha una mandibola di vetro, non sarà solo un’immagine figurata.

Quale tipo di protesi può essere prodotto con il bio-vetro

Domande & Risposte

1. Perché questo bio-vetro è migliore dei sostituti ossei attuali? La sua superiorità risiede in tre fattori chiave. Primo, il processo di produzione è più semplice e meno costoso, poiché richiede temperature significativamente più basse (700°C contro oltre 1100°C) e non usa agenti plastificanti tossici. Secondo, la sua composizione a base di silice, calcio e fosfato è “bio-attiva”, ovvero stimola attivamente le cellule a produrre nuovo tessuto osseo. Terzo, come dimostrato dai test, pur non essendo il più veloce all’inizio, garantisce una crescita ossea più sostenuta e duratura nel tempo, un fattore cruciale per una guarigione completa e robusta.

2. Questo materiale è sicuro per il corpo umano? Assolutamente sì. I componenti utilizzati (silice, calcio e fosfato) sono tutti biocompatibili e già presenti nel nostro corpo. La silice è un oligoelemento essenziale, mentre calcio e fosfato sono i mattoni fondamentali delle ossa. L’assenza di additivi tossici nel processo di stampa 3D lo rende ancora più sicuro per l’impianto. Il materiale è progettato per agire come un’impalcatura temporanea (scaffold) che viene gradualmente riassorbita e sostituita dal nuovo osso generato dal corpo stesso, senza lasciare residui dannosi.

3. Quando potremo vedere questa tecnologia negli ospedali? È importante essere cauti. I risultati sui conigli sono estremamente promettenti, ma rappresentano una fase pre-clinica. Il prossimo passo sarà avviare studi su animali più grandi e, successivamente, trial clinici sull’uomo per verificarne la sicurezza e l’efficacia su larga scala. Questo processo richiede diversi anni di test rigorosi e l’approvazione degli enti regolatori sanitari. Realisticamente, potrebbero volerci dai 5 ai 10 anni prima che questa tecnologia diventi una procedura standard negli ospedali, ma la strada intrapresa è molto incoraggiante.