Dalla ricerca farmaceutica all’agroalimentare, il packaging, la moda e l’edilizia: la bio-stampa 3D (o bioprinting) rappresenta l’evoluzione della manifattura additiva, la frontiera in cui le logiche di produzione industriale si fondono con la biologia.

Si tratta di una tecnologia che ridefinisce il concetto di materia prima, stabilendo una chiara gerarchia. Si parte dalle bio-materie prime (come alginati, collagene e altri derivati organici), che costituiscono gli input di origine biologica, che vengono elaborate per produrre dei biomateriali che in ambito clinico prendono la forma di bioinchiostri: idrogel complessi formulati per veicolare e supportare le cellule viventi durante la stampa.

Il focus, quindi, si sposta dai polimeri e metalli tradizionali a sistemi dinamici, dove la bio-stampa 3D utilizza questi biomateriali per creare strutture tridimensionali con funzionalità biologica.

La transizione alla bio-stampa 3D non è spinta unicamente dal progresso nella ricerca clinica, ma risponde direttamente alla crescente esigenza industriale di processi a elevata personalizzazione e a minore impatto ecologico.

L’impiego di fonti organiche e l’efficienza intrinseca della deposizione additiva posizionano la bio-stampa come un fattore abilitante cruciale per la transizione verso sistemi di produzione avanzati, mirati e fondamentalmente più sostenibili.

Tecnologia e processi: ingegneria dei bioinchiostri e controllo cellulare

Ciò che distingue la bio-stampa 3D dalla manifattura additiva tradizionale è la sua missione fondamentale: costruire una forma e garantirne la funzionalità biologica. Questo imperativo richiede un’ingegneria dei materiali estremamente sofisticata, incentrata sull’utilizzo dei bioinchiostri.

I bioinks sono formulazioni idrogel complesse che devono assolvere a due funzioni critiche simultaneamente: fungere da supporto meccanico durante la stampa e, in secondo luogo, imitare la matrice extracellulare (ECM), l’ambiente naturale in cui le cellule prosperano.

La ricerca si concentra sulla lavorazione delle bio-materie prime – quali alginati, collagene e materiali cellulosici – per assicurarne la perfetta biocompatibilità e biodegradabilità.

La vera sfida industriale risiede nel controllare con precisione la viscosità per la stampabilità e la cinetica di polimerizzazione (indurimento) del bioinchiostro, al fine di mantenere la vitalità cellulare e fornire le proprietà meccaniche necessarie alla struttura finale.

Le sfide sanitarie trainano la crescita del mercato della bio-stampa 3D

La bio-stampa 3D si è affermata come una tecnologia di produzione avanzata, che utilizza la deposizione a strati di bioinchiostri per creare strutture tridimensionali che imitano fedelmente tessuti e organi biologici.

Secondo i dati della società di market intelligence Global Market Insight, la dimensione del mercato globale era di circa 1,6 miliardi di dollari nel 2023 e si stima che crescerà a un CAGR del 16,7% dal 2024 al 2032, per un valore potenziale di 6,5 miliardi di dollari alla fine del periodo.

Questa crescita esponenziale è alimentata da diversi fattori chiave. In primo luogo, la crescente domanda di soluzioni di medicina rigenerativa e di trapianti di organi è un driver fondamentale, insieme alla necessità di farmaci personalizzati e trattamenti individualizzati per le malattie croniche.

In secondo luogo, gli investimenti significativi in R&D sia nel settore pubblico che in quello farmaceutico e biotecnologico stanno portando allo sviluppo di bioprinter più sofisticati, nuove formulazioni di bioinchiostro e software di progettazione avanzati.

Per quanto riguarda i segmenti, i bioinchiostri dominano il mercato per fatturato (694,8 milioni di dollari nel 2023), in quanto materiali specializzati essenziali per la funzionalità dei costrutti tissutali.

La tecnologia di biostampa a microestrusione detiene la quota maggiore per fatturato (583,5 milioni di dollari nel 2023), grazie alla sua capacità di depositare i bioinchiostri con elevata precisione per creare microstrutture complesse.

Infine, gli idrogeli sono il materiale preferito (714,8 milioni di dollari nel 2023), offrendo un ambiente ottimale per l’incapsulamento e la crescita cellulare.

Il settore che traina l’adozione è quello delle aziende farmaceutiche e biotecnologiche, con un fatturato di 960,5 milioni di dollari nel 2023, che sfruttano la bio-stampa per lo sviluppo avanzato di modelli di malattia e screening di farmaci.

Le frontiere della ricerca sui biomateriali: l’esempio del Fraunhofer ISC

È in questo contesto di ricerca intensiva e di elevata esigenza clinica che si collocano centri di eccellenza come il Fraunhofer ISC.

Nello specifico, il Fraunhofer Translational Center Regenerative Therapies TLC-RT si occupa di si occupa di traghettare l’innovazione scientifica verso soluzioni applicabili industrialmente, attraverso l’automazione dei processi in conformità con gli standard GMP (Good Manufacturing Practice).

Le attività del centro spaziano dallo sviluppo di biomateriali rigenerativi avanzati e sistemi di fibre riassorbibili – tra cui le fibre inorganiche RENACER, utilizzate per la rigenerazione di ferite croniche e con potenziale in cosmetica e tecnologia alimentare – alla ricerca su sistemi di nanofibre essenziali per replicare la matrice extracellulare.

Sul fronte applicativo, il centro sfrutta il 3D Bioprinting per creare sistemi di test in vitro altamente standardizzati, cruciali per lo screening di farmaci e cosmetici, spesso in sostituzione della sperimentazione animale.

A ciò si aggiunge l’attenzione sui sistemi di rilascio di farmaci (Drug Delivery Systems), che includono impianti a rilascio controllato, coating intelligenti e sistemi di particelle teranostiche per la diagnostica e la terapia individualizzata.

L’obiettivo dei diversi filoni di ricerca è creare prodotti su misura (tailor-made), garantendo la riproducibilità necessaria per l’industria.

Bio-stampa 3D e biomateriali: applicazioni industriali e nuovi mercati

Oltre l’ambito strettamente clinico e di ricerca, i biomateriali e la bio-stampa 3D stanno trasformando profondamente le logiche di produzione in settori ad alto impatto ambientale e di consumo, come l’agroalimentare e il packaging, la moda e il tessile, e la bioedilizia.

In tutti questi campi, l’obiettivo comune è sostituire i polimeri plastici o i materiali ad alta intensità carbonica con soluzioni derivate da fonti biologiche, sfruttando l’efficienza e la precisione di stampa per ridurre drasticamente gli sprechi e l’impronta ecologica.

I bio-materials a supporto del packaging sostenibile e della riduzione degli sprechi

L’applicazione dei biomateriali nell’industria agroalimentare e nel packaging si concentra sulla risposta diretta alla sfida dello spreco alimentare e alla necessità di imballaggi sostenibili.

La ricerca sfrutta le tecniche di produzione additiva per lo sviluppo di coating e membrane edibili o completamente biodegradabili a base di bio-materie prime (come alginati, cellulosa o proteine) che fungono da barriera protettiva per frutta, verdura e altri prodotti freschi.

Questi rivestimenti, oltre a essere intrinsecamente eco-friendly, prolungano la shelf life riducendo la disidratazione e l’ossidazione, sostituendo di fatto i polimeri plastici derivati dal petrolio.

In parallelo, l’innovazione include l’impiego di nanofibre e materiali avanzati per la creazione di soluzioni di packaging attivo. Questi materiali possono integrare agenti antimicrobici o antiossidanti, rilasciandoli in modo controllato per una protezione mirata contro il deterioramento microbico, promuovendo così una filiera più efficiente e a basso impatto ambientale.

Il potenziale per la sostenibilità del settore tessile

Una ricerca di Boston Consulting Group ha sottolineato il potenziale dei biomateriali per il settore tessile.

Le attività legate all’estrazione, la lavorazione e la produzione di materiali sono infatti responsabili del 91% delle emissioni generate dal settore, contribuendo inoltre per il 30% al costo del prodotto finale.

Secondo il rapporto, i materiali di nuova generazione potrebbero rappresentare l’8% del mercato totale delle fibre entro il 2030, pari a circa 13 milioni di tonnellate. Sebbene si tratti di un notevole miglioramento rispetto all’attuale 1% del mercato delle fibre, questa crescita è fondamentale, poiché l’adozione strategica di questi materiali può portare a una riduzione approssimativa del 4% del costo del venduto in cinque anni rispetto all’inazione.

In questo contesto, la manifattura additiva (come la bio-stampa o l’elettrofilatura) è cruciale per la produzione di materiali: consente lo sviluppo di fibre e coating funzionali di origine biologica e la creazione di dettagli e texture complesse on-demand.

La possibilità di nanofabbricare biopolimeri e di depositare strati precisi riduce gli sprechi di materiale tipici del taglio tradizionale e permette l’uso di pigmenti naturali (bio-fabbricati da organismi viventi) direttamente nella struttura tessile, riducendo l’impronta chimica e idrica.

Costruzioni e bioedilizia: stampa 3D per materiali strutturali

Il settore delle costruzioni sta esplorando i biomateriali non solo per l’isolamento e la finitura, ma per la produzione di componenti strutturali complessi attraverso la stampa 3D su larga scala.

L’obiettivo è superare la dipendenza da cemento e acciaio, che hanno un alto impatto in termini di emissioni di carbonio e consumo energetico.

La ricerca si concentra sullo sviluppo di biocementi e materiali compositi che utilizzano sottoprodotti agricoli, microrganismi (come batteri o alghe) o biopolimeri naturali, mescolati a materiali da costruzione tradizionali.

La tecnologia additiva permette di stampare in situ o in laboratorio strutture edilizie con geometrie ottimizzate per ridurre il peso e il consumo di materiale, garantendo al contempo le necessarie proprietà meccaniche e termiche.

Questo approccio non solo migliora la sostenibilità ambientale degli edifici, ma apre anche la strada a processi di costruzione più veloci, economici e con un ridotto spreco di risorse.

Esempi concreti di aziende che hanno fatto dei biomateriali il loro modello di business

Sebbene la stampa 3D e la manifattura additiva siano i motori principali per l’innovazione in biomedicina e testing, la vera trasformazione del mercato è guidata dall’adozione di biomateriali e di processi di bio-fabbricazione in senso ampio.

Molte aziende hanno costruito il proprio modello di business sull’uso di bio-materie prime, dimostrando che l’innovazione sostenibile non si limita a un’unica tecnologia (come la stampa 3D), ma si basa sulla capacità di convertire scarti organici e biomasse in prodotti ad alto valore aggiunto.

Di seguito, tre esempi italiani che dimostrano questa transizione:

1. Smush Materials (Packaging). La startup, spin-off del Politecnico di Milano, sfrutta il micelio, l’apparato radicale dei funghi, per trasformare sottoprodotti agricoli in packaging completamente biodegradabili e compostabili. Questo processo di bio-fabbricazione per crescita sostituisce materiali ad alta impronta carbonica come il polistirolo.
2. Id.Eight (Moda). Questa azienda utilizza biomateriali avanzati per creare calzature che riducono l’impatto ambientale. Attraverso l’uso di biopelle derivata da scarti agroalimentari (come quelli dell’uva o dell’ananas) e di materiali riciclati, dimostra come il ciclo biologico e la valorizzazione dello scarto possano diventare il fondamento per una moda sostenibile e performance-driven.
3. Ricehouse (Bioedilizia). L’azienda è specializzata nella produzione di materiali da costruzione sostenibili partendo da scarti della coltivazione del riso (come la paglia e la lolla). Questi sottoprodotti, che altrimenti verrebbero smaltiti, vengono trasformati in intonaci, pannelli isolanti e mattoni, riducendo drasticamente l’uso di materiali tradizionali energivori come cemento e laterizi, e migliorando l’efficienza energetica degli edifici.

Queste aziende sono la prova concreta di come i cicli biologici e le bio-materie prime possano già oggi creare modelli di business vincenti, resilienti ed efficienti, guidando la trasformazione dell’industria del futuro.