Chi è l'ingegnere biomedico

L’ingegnere biomedico è il professionista che applica alla medicina e alla biologia i principi e le tecniche di problem solving propri dell’ingegneria. Infatti il suo obiettivo è quello di migliorare la salute degli individui, sia che si tratti di progettare una nuova protesi o di una nuova scoperta dei meccanismi cellulari.
Nell’industria sviluppa e progetta nuove tecnologie; nel mondo accademico effettua ricerche, testa, sviluppa e implementa nuovi strumenti diagnostici e apparecchiature mediche; all’interno delle istituzioni, lavora per la definizione di standard di sicurezza per i dispositivi medici.
Molti ingegneri biomedici trovano infine lavoro in Start-up o diventano loro stessi imprenditori.
In futuro, gli ingegneri biomedici saranno tra le professioni più richieste nel mondo del lavoro.
Gli ingegneri biomedici, ad esempio, hanno avuto un ruolo centrale nella realizzazione del robot F3DB, che sfida i limiti del bioprinting 3D.

Nuovo millirobot rivoluziona la medicina rigenerativa dal vivo 

I ricercatori della University of New South Wales di Sydney hanno progettato e sviluppato un robot flessibile, di dimensioni millimetriche, capace di diventare un promettente potenziale nel campo della medicina rigenerativa e nel bioprinting 3D.

Nell’ottica dello sviluppo tecnologico dei dispositivi medici e dei robot chirurgici, lo strumento all-in-one F3DB garantisce una guarigione efficace dei tessuti e degli organi danneggiati grazie alla stampa di biomateriale e di cellule viventi direttamente in situ.

Cosa intendiamo per stampa 3D e cosa c’entra l’ingegneria biomedica?

La stampa 3D (o3D-printing) o additive manifacturing (AM) è una tecnica di stampa tramite cui è possibile realizzare oggetti tridimensionali mediante sovrapposizione di strati di materiali di natura diversa tra cui polimeri sintetici, ceramici e metalli. Alla base vi è un modello digitale che viene realizzato tramite un software CAD, per poi essere sezionato grazie ad un altro software di slicing (detto slicer). Attraverso lo slicer, la stampante 3D ottiene un formato leggibile e riesce a processare le superfici bidimensionali.

In questo senso, il bioprinting 3D prevede la realizzazione di strutture biologiche tridimensionali (quali tessuti o organi) ottenute tramite sovrapposizione di biomateriale contenente cellule viventi o biomolecole (i.e. bioink). Un’applicazione immediata a cui si può pensare è quella della medicina rigenerativa, per l’ottenimento di tessuti e organi compatibili per il trapianto, oltre che per la loro guarigione.

Inoltre, questa tecnica ha applicazioni anche nell’ambito della medicina personalizzata, per la realizzazione di organi ad hoc su cui si fa diagnosi preventiva di malattie, nel campo farmacologico, per la creazione di scaffold usati nella somministrazione di farmaci e nell’analisi di agenti chimici e tossicologici.

Però, ancora sono numerosi i limiti associati al bioprinting, tra cui:

1. una inadeguata compatibilità tra la struttura tridimensionale e la superficie del tessuto target;
2.  alti rischi di contaminazione con l’ambiente esterno durante il processo di stampa;
3. costi;
4. tempi di recupero;
5. rischi di infezione altrettanto rilevanti per le strutture biologiche più interne, tra cui cuore, colon, intestino e reni.

F3DB: le sue componenti 

I ricercatori della University of New South Wales di Sydney hanno progettato e sviluppato un robot di dimensioni millimetriche, multifunzionale e flessibile (Flexible in situ 3D Bioprinter, F3D), in grado di stampare direttamente in situ,  il bioink, ovvero le biomolecole per la rigenerazione del tessuto e organo target.

Figura 1: Immagine rappresentativa del prototipo del robot con il suo corpo flessibile, braccio robotico e testa di stampa 3D.
Credits: Advanced Science

I principali componenti che costituiscono l’architettura del robot sono (Figura1):

• Un catetere lungo e flessibile (flexible body) grazie a cui il piccolo robot riesce a raggiungere il distretto fisiologico di interesse inserendosi negli orifizi naturali (in modo non invasivo), come ad esempio bocca o ano – oppure attraverso delle piccole incisioni cutanee (in modo invasivo);
• Un manipolatore slave che comprende un braccio robotico morbido (soft robotic arm) e una testina di stampa 3D (3D printing head).

L’intero sistema è regolato da muscoli artificiali idraulici a microtubuli molli e attuatori a soffietto in tessuto morbido.

Come funziona?

La connessione del piccolo robot con il mondo esterno avviene tramite il collegamento del corpo flessibile all’alloggiamento del motore (motor housing) che interagisce a sua volta con una master console. Mediante un’interfaccia tattile, l’utente (personale medico) riesce ad inviare l’informazione della movimentazione della propria mano sottoforma di segnale elettronico all’alloggiamento del motore. Infine, il biomateriale viene consegnato alla testina stampa grazie ad un dispensatore a siringa.

Figura 2: Schema del sistema di funzionamento del robot F3DB.
Credits: Advanced Science

l funzionamento del sistema F3DB si basa su un’architettura di tipo master-slave: il manipolatore slave viene guidato a distanza dall’utente tramite console e, una volta raggiunto il sito di destinazione, il suo movimento viene pilotato da un algoritmo di controllo automatico. Questo permette al  motore di inviare dei segnali di attivazione alle unità deputate alla trasmissione del fluido. Tali unità trasferiscono il fluido alla testina di stampa, sfruttando meccanismi di fluidodinamica.

È importante, inoltre, sottolineare che il robot F3DB può garantire una stampa multisito tale da coprire intere superfici di organi e tessuti; come cuore, stomaco, colon e vescica.

Altre possibili applicazioni 

Oltre alla sua principale funzione di biostampante 3D, il robot è stato pensato come un possibile strumento all-in-one per cui la testina di stampa, supportata da una corretta movimentazione, potrebbe essere usata anche come bisturi elettrico e non solo.

Infatti, è possibile emettere getti d’acqua per la pulizia del sito e garantire una riparazione tempestiva, grazie alla stampa diretta del bioink.

Vista questa sua duplice funzione, F3DB  potrebbe assicurare sia una diminuzione dei rischi di contaminazione e di infezione, sia la diminuzione dei tempi di recupero dopo un intervento chirurgico.

Fonti:

https://www.ingegneriabiomedica.org/news/tessuti/nuovo-millirobot-tuttofare-rivoluziona-medicina-rigenerativa-in-vivo/