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Un cuore artificiale stampato in 3D

Tessuti, valvole e un cuore di neonato in grado di contrarsi: sono i risultati ottenuti con una tecnica di stampa in 3D che usa come “inchiostro” il collagene, uno dei componenti dell’impalcatura di sostegno dei tessuti biologici

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Science Photo Library/AGF

Il sogno di avere pezzi di ricambio per gli organi umani, e in particolare per il cuore, sembra ancora più vicino. Andrew Lee della Carnegie Mellon University di Pittsburgh e colleghi hanno perfezionato le più recenti tecniche di stampa in 3D e usato come materia prima il collagene, la più importante componente della matrice extracellulare (l’impalcatura di sostegno dei tessuti biologici). Con l’aggiunta di cellule in coltura, il risultato descritto sulle pagine di “Science” – è sorprendente: tessuti e strutture che riproducono con incredibile accuratezza l’anatomia e le funzioni fondamentali del cuore umano, come la contrattilità e l’apertura e la chiusura delle valvole cardiache.

Il risultato corona alcuni anni di sforzi di ricerca e sperimentazione del gruppo di Lee, che già nel 2015 aveva presentato la prima versione di questa tecnica, denominata FRESH. Tuttavia, non era ancora stato superato uno degli ostacoli fondamentali della stampa di tessuti biologici, o bioprinting, e cioè la produzione di un materiale che sia al contempo soffice e dotato di una microstruttura molto ben definita, adatta cioè a sostenere la colonizzazione delle cellule e una rete di vasi sanguigni.

Il collagene, in particolare, è il materiale più adatto a formare l’impalcatura di sostegno per gli organi artificiali, ma è difficile controllarne la microstruttura a diverse scale dimensionali mentre si stampa.

Lee e colleghi hanno risolto il problema depositando il collagene come un normale “inchiostro” in una stampante 3D, strato per strato, all’interno di un gel, controllando la solidificazione del collagene anche alle scale più piccole, fino a 10 micron. Hanno così ottenuto una matrice con una microstruttura porosa, con canali di dimensioni fino a 30 micron di diametro, adatti all’infiltrazione delle cellule e alla vascolarizzazione della matrice.

Una delle valvole cardiache prodotte con la nuova tecnica (Carnegie Mellon University College of Engineering)


Questi ultimi due processi hanno avuto successo, sia con cellule di topo sia con cellule umane in coltura, grazie all’aggiunta di due ingredienti: la fibronectina, un’altra proteina fondamentale della matrice extracellulare naturale, e il VEGF, un potente fattore di crescita dei vasi sanguigni.

Usando cardiomiociti, le cellule che costituiscono il muscolo cardiaco, derivati da cellule staminali umane, gli autori sono poi riusciti a produrre anatomie sempre più complesse – un tessuto cardiaco, un ventricolo e infine un cuore di neonato completo – con una fedeltà notevole, documentata dalle immagini di risonanza magnetica.

Ma a stupire di più sono i risultati in termini di funzionalità del prototipo: i tessuti umani così organizzati possono contrarsi in modo sincrono, e le valvole cardiache si chiudono e si aprono.

Il metodo FRESH, in questa sua seconda versione denominata FRESH 2.0, ha dunque dimostrato la sua validità per il cuore umano, ma potrebbe essere usato per produrre tessuti di sostegno per un’ampia gamma di organi. La strada per questo obiettivo deve superare ancora diversi problemi tecnici, primo fra tutti la stampa in 3D di tessuti di grandi dimensioni, con miliardi di cellule.



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le Scienze

Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Reti sociali: un modello per studiare gli effetti della propagazione virale

Pubblicati su “Plos One” i risultati di una ricerca dell’Università Statale di Milano che ha messo a punto un software per la simulazione di fenomeni di propagazione virale all’interno di reti sociali e dei loro effetti sulla conoscenza che gli individui maturano riguardo al tema al centro dell’epidemia

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© Science Photo Library RF

Lo studio pubblicato su Plos One propone un modello per descrivere come la diffusione di un fenomeno virale in una rete sociale (per cui si usa spesso il termine di epidemia, riferito non solo a malattie ma anche a dipendenze e alla diffusione di opinioni) influenzi la conoscenza che di esso hanno gli individui, determinando comportamenti differenti, volti in alcuni casi a prevenire il contagio, in altri a favorirlo. La ricerca evidenzia come il risultato delle modifiche nei comportamenti vada a cambiare la diffusione virale.

Il lavoro si inserisce nell’ambito degli studi di coevoluzione di sistemi complessi in presenza di fenomeni epidemici: una rete sociale (digitale o non digitale) ha caratteristiche tipiche dei sistemi complessi e le due dinamiche, la diffusione virale e i comportamenti degli individui, si influenzano vicendevolmente, coevolvono.

Definire dei meccanismi di variazione della conoscenza sufficientemente semplici da poter essere modellati e simulati con un tool software appositamente sviluppato è stato lo scopo dello studio.

Il modello è stato ideato e coordinato da Marco Cremonini dell’Università di Milano e sviluppato insieme a Samira Maghool, dottoranda in Fisica dell’Alzhara University di Teheran (Iran) e visiting researcher presso il dipartimento di Informatica dell’ateneo milanese da settembre 2018.

Per il modello e il simulatore è stato usato un approccio multi-agente, nel quale gli individui vengono rappresentati da componenti software (agenti) che eseguono azioni sulla base delle informazioni che ricavano dalla rete sociale di agenti; come il linguaggio di programmazione è stato scelto Python.

Per gli autori è stato importante lavorare in particolare su alcuni aspetti caratterizzanti e nuovi:
–  definire la conoscenza acquisita dagli agenti come prodotto di componenti distinte: la conoscenza pregressa individuale, l’osservazione del contesto locale ed eventuali stimoli provenienti da agenti connessi;
–  adottare l’imitazione come il meccanismo fondamentale per adattare la conoscenza, prevedendo scenari diversi, dalla pura osservazione del contesto locale e adozione di precauzioni, tipico del caso di epidemie biologiche, all’imitazione del comportamento di gruppi sociali di riferimento, tipico nel caso di dipendenze o la diffusione di idee;
–  prevedere che le variazioni di conoscenza avrebbero potuto comportare sia una riduzione sia un’accelerazione della propagazione del fenomeno virale.

Lo studio ha introdotto elementi di novità nell’ambito dei modelli di coevoluzione dinamica per fenomeni epidemici complessi.

Scenari riconducibili al modello studiato sono molteplici, non solo i casi biologici tradizionalmente considerati dall’epidemiologia, ma soprattutto le molteplici varianti di propagazione di idee, opinioni, rumor, fake news e false credenze all’interno di reti sociali, digitali e non digitali. Un altro scenario interessante e ancora poco studiato riguarda la propagazione di malware in reti di computer, per le quali esiste una coevoluzione tra azioni guidate esclusivamente da tecnologie e reti sociali con le azioni di operatori e utenti.

“Nonostante i limiti dovuto alla modellazione dei fenomeni e all’utilizzo di un modello di rete sociale e di dati artificiali, lo studio fornisce spunti innovativi per l’interpretazione di sistemi complessi che, come la rete, presentano caratteristiche di coevoluzione, ovvero dinamiche che si influenzano vicendevolmente. Capire gli effetti della percezione e della conoscenza che le persone hanno di un fenomeno epidemico è importante per comprendere la dinamica di un sistema sociale complesso, per migliorare.



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35 formule matematiche che hanno fatto la storia

Dalla matematica alla fisica, passando per la biologia, la finanza, l’informatica e la teoria della probabilità, un breve viaggio attraverso i secoli alla scoperta delle formule più importanti per il mondo della scienza, e non solo

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Ogni nuova formula, antica o recente che sia, ha contribuito a proprio modo a cambiare il corso della storia. Dall’antico Egitto e dall’antica Grecia si arriva fino ai giorni nostri, con alcune equazioni che ancora oggi non sono state completamente dimostrate.

Il tour nelle formule che hanno segnato la storia umana è anzitutto un giro per il mondo, laddove nei diversi secoli le civiltà hanno saputo creare nuovo sapere matematico e migliorare la nostra conoscenza dei fenomeni naturali, grazie al sapiente uso e alle geniali intuizioni sulla simbologia di cui la matematica si nutre.

Ed è anche un viaggio alla scoperta delle persone, per la maggior parte scienziati, che hanno lasciato un segno indelebile nella storia: da Pitagora e Nepero si spazia fino all’Ottocento e al Novecento, tra fisici come Erwin Schrödinger, ingegneri come Claude Shannon, matematici come Carl Friedrich Gauss ed Emmy Noether e geni assoluti come Albert Einstein.

Magari avrete incontrato alcune di queste formule ed equazioni nel corso degli studi, altre le ricorderete a memoria, altre ancora risulteranno completamente sconosciute, e magari anche un po’ oscure nel loro significato e nelle loro implicazioni. Quel che importa però è che tutte, ancora oggi oppure in epoche passate, hanno rappresentato uno strumento indispensabile a disposizione di donne e uomini di scienza. Sintesi perfette ed eleganti di intere classi di fenomeni o di teorie matematiche, tanto da essere a fondamento – ciascuna – di intere discipline.

 

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Come il 5G cambierà il nostro modo di guidare

Sorpasso assistito, incrocio cooperativo, mappe realmente intelligenti: saranno queste le prime soluzioni tecniche che la nuova rete potrebbe portare

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In un evento presso il circuito di Guida Sicura ACI, alle porte di Milano, Vodafone ha mostrato come il 5G potrà cambiare il mondo della mobilità. L’operatore telefonico, però, non si è limitato a presentare ipotesi e applicazioni futuristiche sviluppate in sinergia con 38 parner industriali e istituzionali (tra cui il Politecnico di Milano, Pirelli, FCA, Magneti Marelli). Ha concretamente permesso alle persone presenti nel di sperimentare su pista alcune soluzioni 5G per l’automotive: il sorpasso assistito, l’incrocio cooperativo, l’aumento della fluidità del traffico e le mappe realmente intelligenti.

Per saggiare le quattro esperienze sono state utilizzate tre vetture  ottimizzate con soluzioni di connettività 5G fornite da Marelli e pneumatici intelligenti Cyber Tyre Pirelli in grado di rilevare le reali condizioni di aderenza dell’asfalto. A questi si deve aggiungere il Multi-Access Edge Computing (MEC) di Vodafone. Si tratta di particolari strutture di calcolo che invece di avere un’unica grande sede sono distribuite verso i bordi periferici (edge) della rete. Ciò garantisce la prossimità fisica alla strada delle risorse computazionali necessarie a ridurre i tempi di latenza (tempo che passa tra il comando e la sua esecuzione) della comunicazione tra i veicoli. Ma soprattutto tra l’infrastruttura di raccolta delle informazioni –come telecamere e semafori intelligenti– e le vetture connesse. Ecco in dettaglio le quattro experience.

Il sorpasso assistito

Il 5G promette di essere la soluzione per i sorpassi in totale sicurezza. In Vodafone lo hanno chiamato See Through (guardare attraverso) perché sfrutta la comunicazione tra due veicoli (V2V) per scambiare video in alta definizione e in tempo reale. Lo scopo è estendere il raggio visivo del guidatore in scenari di visibilità ostruita. Grazie al 5G, il conducente riceve in tempo reale sul display della vettura il video con la visione soggettiva frontale della prima macchina che lo precede: quella immediatamente davanti al veicolo che ne ostruisce parzialmente la visuale. Ciò permette di vedere attraverso l’ostacolo per verificare che la carreggiata sia libera e sicura nel concludere la manovra di sorpasso.

L’incrocio cooperativo

Seduti sul sedile posteriore dell’auto abbiamo assistito alla cronaca annunciata di un mancato incidente. L’Urban Cross Traffic Cooperativo è una soluzione che sfrutta la comunicazione trai veicoli e tra gli stessi con l’infrastruttura (come telecamere intelligenti) per ampliare il raggio visivo degli attuali sistemi di sicurezza.

Obiettivo ultimo è evitare la collisione tra veicoli che si approssimano a un incrocio, lanciando segnali visivi e acustici di warning al guidatore fino ad attuare una frenata automatica di emergenza (AEB – Automatic Emergency Breaking). In questo caso d’uso, la bassissima latenza del 5G (si parla di qualche millisecondo) garantisce la reattività  dei sistemi di frenata automatica che anticipano i tempi di reazione sia dell’automobilista, sia dei sistemi di assistenza alla guida come il radar anticollisione.

Niente più code

In gergo, questa soluzione si definisce Highway Chauffeur. Anche in questo caso si sfrutta la comunicazione tra due veicoli per scambiare in tempo reale informazioni di posizione e velocità di veicoli circolanti in colonna su una corsia. Lo scopo è permettere all’automobilista di mantenere una velocità e una corretta distanza di sicurezza che si adatta dinamicamente alle condizioni di traffico. Grazie a questa soluzione, sarà possibile migliorare la fluidità del traffico, ridurre gli ingorghi, il consumo di carburante e le emissioni. Si tratta di un’evoluzione degli attuali sistemi standard di Adaptive Cruise Control (ACC).

A bordo di Alfaromeo Giulia Quadrifoglio per la prova dell’Intelligent Speed Adaptation Control


Le mappe realmente intelligenti

L’ultima delle quattro soluzioni presentate nell’ambito della sperimentazione 5G di Vodafone è stata l’Intelligent Speed Adaptation and Control. Anche in questo caso si sfrutta la comunicazione V2V e I2V (Infrastructure-to-Vehicle) per la condivisione di informazioni statiche e dinamiche dell’ecosistema stradale intorno al veicolo: limiti di velocità, lavori in corso temporanei, restringimenti di carreggiata, curve pericolose, stato degli impianti semaforici e l’elenco sarebbe ancora lungo.

A queste informazioni si aggiungono quelle rilevate da altri veicoli circostanti. Tra queste, le condizioni pericolose del manto stradale registrate dai pneumatici sensorizzati Pirelli. Il nostro passaggio su una zona a scarsissima aderenza ha inviato a tutte le altre auto in prossimità l’alert e informato il conducente di adeguare la velocità di marcia per non incorrere in pericoli.

I quattro esperimenti sono andati tutti a buon fine; senza intoppi e senza incidenti. A conti fatti, sembra proprio che il 5G sia una reale tappa di avvicinamento verso la guida autonoma. Serve però che anche i legislatori stiano al passo con l’innovazione non solo a parole, ma con regolamenti e leggi adeguate.



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