3D Bioprinting in Odontoiatria: Stato dell’Arte e Prospettive Future


Il bioprinting 3D sta emergendo come una tecnologia rivoluzionaria nel campo della medicina rigenerativa, con applicazioni particolarmente promettenti anche in odontoiatria. Questa tecnica, che sfrutta le tecnologie di stampa additiva per integrare materiali biologici come cellule, fattori di crescita e biomateriali, si sta affermando come una soluzione potenzialmente rivoluzionaria per sfide di lunga data nel trattamento dei difetti ossei e dei tessuti molli in odontoiatria​​​​.

Personalmente lavoro sul bioprinting dal 2015 e ho sempre creduto in questa tecnologia che, per complessità e particolarità, non può essere paragonata alla stampa 3D tradizionale. Cliccando Qui, Qui e Qui potete trovare alcuni articoli scientifici da me pubblicati sul tema negli ultimi anni.

Il 3D Bioprinting è una tecnologia di stampa 3D che stampa cellule, materiale biologicamente attivo, materiali extracellulari e fattori di crescita finalizzata a produrre componenti biologiche per la rigenerazione tissutale e per lo studio in vitro di processi biologici complessi.
Quello che si ottiene tramite il 3D Bioprinting sono piccole parti di tessuto stampate in 3D con cellule umane, possibilmente anche cellule autologhe (proprie del paziente), in grado di garantire ottimi risultati in termini di immunogenicità e integrabilità tissutale.
L’uso di cellule specifiche e la customizzazione completa della geometria dei costrutti biologici stampabili costituiscono due dei più grandi vantaggi propri di questa tecnologia.

L’odontoiatria contemporanea si confronta con la necessità di tecniche avanzate per la rigenerazione di tessuti danneggiati e in questo contesto, i tradizionali metodi di trattamento, come gli innesti ossei autologhi e le protesi, sebbene oggi ampiamente applicati con successo, presentano come noto alcune limitazioni tra cui la disponibilità limitata di tessuto donatore, il rischio di infezioni e la complessità delle procedure chirurgiche​​ da attuare. La customizzazione degli innesti sull’anatomia del paziente è talvolta considerata anche questa un limite. Il bioprinting 3D, con la sua capacità di creare strutture personalizzate che replicano l’architettura e la composizione dei tessuti biologici nativi, offre un’alternativa promettente anche se non ancora disponibile clinicamente.
Studi recenti hanno dimostrato come i scaffold stampati in 3D possano essere utilizzati per promuovere la rigenerazione ossea, facilitare la formazione di nuovi vasi sanguigni (neoangiogenesi) e incoraggiare la riparazione di tessuti molli: tutti aspetti cruciali in odontoiatria​​. Inoltre, l’uso di bioink avanzati, come quelli a base di PRP (plasma ricco di piastrine), GelMA (gelatina metacrilata) e AlgMA (alginato metacrilato), modificati con nanoclay laponite (Lap), hanno mostrato risultati promettenti in termini di rilascio controllato di fattori di crescita, promuovendo la proliferazione cellulare e la rigenerazione ossea in vitro e in vivo​​.

Il bioprinting 3D in odontoiatria si posiziona quindi all’avanguardia della ricerca scientifica e della pratica clinica, offrendo nuove prospettive per il trattamento personalizzato di una vasta gamma di condizioni orali e maxillo-facciali.
La continua esplorazione di questa tecnologia apre la strada a trattamenti più efficaci, riducendo il disagio del paziente e migliorando gli esiti clinici nel campo odontoiatrico.

Stato dell’Arte

Regen-HU R 100: una delle più interessanti 3D Bioprinters di medio-alta fascia disponibili sul mercato.

Il 3D Bioprinting sta attraversando diverse fasi di sviluppo, con ogni fase che sta portando a innovazioni significative e potenziali miglioramenti nella pratica clinica futura. Attualmente, ci troviamo però di fatto in un punto di svolta, dove le potenzialità di questa tecnologia stanno iniziando a essere maggiormente compiute anche grazie al fatto che, tra tutti i tessuti del corpo umano rigenerabili, l’osso è probabilmente quello in cui tale tecnologia è più avanti in termini di sviluppo essendo l’osso un materiale avente caratteristiche fisico meccaniche ben si prestano alla stampa 3D, in generale.

Sviluppi Recenti
Negli ultimi anni, il focus della ricerca si è spostato verso la creazione di scaffold 3D Bioprinted più complessi e funzionali. Studi recenti hanno dimostrato la capacità del bioprinting di produrre scaffold per la rigenerazione ossea con architetture controllate e specifiche per il paziente. Questi scaffold, quando impiantati, hanno mostrato una rigenerazione ossea significativa, come evidenziato in uno studio che ha utilizzato un design biomimetico per la ricostruzione ossea mandibolare nei modelli animali​​.

Materiali Innovativi
L’evoluzione dei materiali utilizzati nel bioprinting ha giocato un ruolo cruciale nel progresso di questa tecnica. La combinazione di poli(caprolattone) (PCL) e nanoparticelle di fosfato tricalcico (TCP) ha dimostrato di aumentare l’osteoconduttività, essenziale per la rigenerazione ossea. Inoltre, l’uso di bioink avanzati, come il PRP-GA@Lap, ha migliorato significativamente la rigenerazione ossea e vascolare, un aspetto fondamentale per il successo degli impianti dentali e della guarigione dei difetti ossei​​​​.

Applicazioni Cliniche
Il bioprinting ha iniziato a puntare la bussola ad applicazioni cliniche reali, con studi che dimostrano il suo utilizzo nella ricostruzione di tessuti molli e duri orali.
Ho selezionato due di questi studi promettenti:

  • Enhancing Craniofacial Bone Reconstruction with Clinically Applicable 3D Bioprinted Scaffolds” di Lee et al.:
    Questo studio ha esplorato l’uso del bioprinting 3D per la creazione di scaffold biomimetici per la ricostruzione ossea craniofacciale, dimostrando la loro efficacia nella rigenerazione ossea in modelli animali, con applicazioni potenziali in odontoiatria​​.
  • 3D-printed Vascularized Biofunctional Scaffold for Bone Regeneration” di Cao et al.:
    In questo lavoro, è stato sviluppato un bioink composto da PRP-GA@Lap, utilizzando il bioprinting 3D per costruire scaffold destinati alla riparazione ossea. Lo studio ha dimostrato l’efficacia di questi scaffold nel promuovere la crescita vascolare e accelerare la rigenerazione ossea in vivo, suggerendo applicazioni potenzialmente significative nel contesto odontoiatrico​​.

Questi avanzamenti hanno aperto la strada a nuove modalità di trattamento per condizioni precedentemente difficili da gestire, come i difetti ossei complessi e le anomalie craniofacciali. Inoltre, la capacità di personalizzare gli impianti e i tessuti in base alle esigenze specifiche di ogni paziente sta trasformando il modo in cui l’odontoiatria viene praticata, portando a risultati più prevedibili e a un miglioramento della qualità della vita dei pazienti​​.

Prospettive di Ricerca
Il bioprinting in odontoiatria e in chirurgia del maxillo facciale continua ad essere un campo di ricerca attivo, con studio su nuovi materiali, tecniche di stampa più precise, e modalità per migliorare l’integrazione e la funzionalità dei tessuti rigenerati. La ricerca futura si concentrerà sull’ottimizzazione dei processi di stampa, sulla personalizzazione ulteriore dei trattamenti e sull’integrazione di più tipi di tessuti in un singolo processo di stampa.

Applicazioni del Bioprinting nell’Ingegneria Tissutale

Sviluppi nell’Ingegneria Tessutale Ossea: l’ingegneria tessutale ossea in odontoiatria sta vivendo un’era di notevole innovazione, dove la combinazione di biomateriali ad alto potenziale osteogenico con scaffold osteoconduttivi o osteoinduttivi rappresenta un’alternativa promettente per la riparazione dei difetti ossei. Questi approcci, basati anche sull’uso di cellule autologhe, consentono di produrre una nuova matrice extracellulare mineralizzata che emula il tessuto osseo nativo, un avanzamento significativo rispetto ai metodi tradizionali che richiedono trapianti di tessuto osseo.

Efficienza e Applicabilità: La sfida principale di questi metodi avanzati di ingegneria tessutale risiede nel bisogno di biopsie di tessuto donatore e manipolazioni cellulari estensive in vitro prima dell’impianto. Tuttavia, l’evoluzione delle tecniche di bioprinting sarà in grado di semplificare questi processi, rendendo la produzione di sostituti biologici per il restauro tessutale più efficiente e praticabile.

Rigenerazione Tissutale In Situ: Un approccio emergente nell’ingegneria tessutale ossea è la rigenerazione tissutale in situ, che sfrutta la capacità rigenerativa del corpo impiegando cellule staminali endogene o progenitori tissutali specifici nel sito di lesione. Questo metodo si avvale della presenza naturale di molecole bioattive, come fattori di crescita e citochine, per dirigere la mobilizzazione cellulare e la rigenerazione tessutale.

Uno studio interessante in termini di rigenerazione tissutale ossea

L’articolo “Enhancing Craniofacial Bone Reconstruction with Clinically Applicable 3D Bioprinted Constructs” ha utilizzato un modello di difetto osseo mandibolare in conigli per valutare l’efficacia degli scaffold biomimetici progettati tramite bioprinting 3D. In particolare questo articolo sottolinea l’utilizzo di imaging radiologico unito al 3D Bioprinting per creare scaffold ossei specifici per il paziente con forme complesse e architetture interne controllate. Gli scaffold sono stati prodotti utilizzando un biopolimero termoplastico PCL – Policaprolattone e Fosfato di Calcio. Il PCL è un polimero biocompatibile noto per la sua malleabilità e degradabilità controllata (circa 24 mesi con un peso molecolare di 50kDa), mentre il TCP è noto per le sue proprietà osteoconduttive, che sono essenziali per la rigenerazione ossea.

Si tratta praticamente di un approccio biomimetico con controllo geometrico degli scaffold che ha mostrato un miglioramento significativo nella rigenerazione ossea rispetto agli scaffold di controllo​​ negli animali testati.
Il flusso di lavoro di Bioprinting utilizzato in questo studio è molto interessante: comprendeva l’analisi di dati ottenuti da tomografie computerizzate (CT) di difetti ossei mandibolari nei conigli. Questi dati sono stati quindi impiegati per generare un modello di computer-aided design (CAD)/computer-aided manufacturing (CAM) della mandibola del coniglio con il difetto osseo. Il lato sano è stato utilizzato come riferimento per adattare il difetto osseo attraverso un processo di specchiamento, creando un piano geometrico lungo la linea mediana e duplicando una copia del modello rispetto a questo piano.

Per valutare la formazione di nuovo osso nella regione impiantata fino a 12 mesi dopo l’impianto è stato utilizzato l’imaging radiologico tomografico (TAC) e i dati dell’analisi hanno rivelato la rigenerazione del tessuto osseo sia negli scaffold di controllo che in quelli biomimetici. Tuttavia, gli scaffold di controllo hanno mostrato una formazione ossea limitata solo lungo il confine dello scaffold impiantato. Al contrario, gli scaffold biomimetici hanno permesso al tessuto osseo di riempire l’intera regione centrale. L’esame istologico ha confermato la deposizione di collagene e la formazione di tessuto osseo maturo negli scaffold biomimetici​​ e questo è un aspetto cruciale dell’intero lavoro. L’esame istologico degli scaffold analizzati ha anche confermato, attraverso una particolare colorazione istologica (Colorazione di Masson’s trichrome) un’ottima deposizione di collagene all’interno degli scaffold impiantati. Gli scaffold biomimetici hanno permesso la crescita ossea nella regione centrale con una minima formazione di tessuto fibrotico, a differenza degli scaffold di controllo.
Questo suggerisce in un certo senso che il design degli scaffold biomimetici sia stato efficace nel prevenire l’infiltrazione di tessuto fibrotico mentre ha consentito efficacemente la crescita ossea​​.

Prospettive Future

Inutile negare che il 3D Bioprinting costituisce oggi la più promettente risorsa tecnologica per la rigenerazione dei tessuti umani.
Le attuali tecniche di rigenerazione ossea prevedono una grande quantità di lavoro manuale e una sostanziale difficoltà nel creare e applicare materiali compositi o materiale cellulare nei siti di lesione e nei pazienti. Queste, ed altre limitazioni, potranno essere nel tempo superate dall’affinamento sempre più pervasivo delle tecniche di ingegneria tissutale nelle quali il 3D Bioprinting rappresenta la “Punta di Diamante” di un processo di innovazione tecnologica inevitabile.

L’odontoiatria, come è sempre accaduto nell’ambito delle tecnologie 3D, sarà la prima disciplina in assoluto (insieme alla Chirurgia del Maxillo Facciale e, probabilmente, alla Neurochirurgia) a beneficiare di questa tecnologia e ad utilizzarla concretamente nella pratica clinica. Ricordo sempre, infatti, che la stampa 3D è stata introdotta con successo nel settore biomedicale proprio dall’Odontoiatria che è la disciplina ad oggi più tecnologicamente avanzata in ambito di utilizzo di tecnologie innovative nella pratica clinica (vedi la scansione 3D e la stampa 3D oltre che l’uso di biomateriali di osteorigenerazione altamente innovativi).

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