Bioink a base di idrogel per la bioprinting 3D nella rigenerazione dei tessuti

RICERCATORI SUDAFRICANI IDENTIFICANO SOLUZIONI PER LE SFIDE LEGATE ALL’USO DEI BIOINK PER LA COSTRUZIONE DI TESSUTI IN STAMPA 3D

I ricercatori dell’Università di Witwatersrand hanno valutato le sfide dell’utilizzo di bio-inchiostri a base di idrogel per i tessuti di stampa 3D e hanno formulato raccomandazioni per migliorare le applicazioni della tecnologia.

Gli scienziati hanno scoperto che, sebbene sia sicuro ed efficace per i tessuti di stampa 3D, il bioprinting presenta limitazioni basate sul costo, sull’integrità e sulla forza dei biomateriali utilizzati nel processo. Secondo il team di ricerca, solo lo sviluppo di un nuovo bio-inchiostro consentirà la produzione e l’adozione su larga scala della bioprinting multicellulare e multimateriale.

La bioprinting 3D è stata spesso applicata per affrontare l’incidenza della scarsità dei donatori e della carenza di organi. Il processo di stampa 3D riduce l’immunogenicità, poiché il bio-inchiostro a base di idrogel è specifico per il paziente e ciò comporta una riduzione del rigetto degli organi e un aumento dell’offerta in base alla domanda. Inoltre, i bioinchiostri utilizzati per creare tali tessuti si basano su strutture di idrogel come l’alginato, che offrono tossicità e costi inferiori e mostrano una maggiore biocompatibilità.

Mentre la bioprinting comprende una varietà di metodi come Selective Laser Sintering (SLS), estrusione e bioprinting a getto d’inchiostro, ogni metodo presenta diversi vantaggi rispetto alla semina convenzionale per l’ingegneria tissutale. La bioprinting 3D, ad esempio, può essere utilizzata per creare strutture biomimetiche basate su una scansione 3D dall’organo del corpo danneggiato o ferito di un paziente, consentendo la produzione di una struttura specifica per il paziente.

Nel frattempo, con i metodi tradizionali, il posizionamento delle cellule comporta il loro impianto in un patibolo di ormoni della crescita chimici, necessari per la crescita e lo sviluppo delle cellule per l’ingegneria dei tessuti. Questo è seguito da un impianto in vivo che utilizza un polimero come l’acido poliglicolico (PGA), grazie alla sua termoplastica e biodegradabilità. Ci sono molti svantaggi di questo approccio, tra cui un lungo calendario, la sua incapacità di produrre strutture vascolari e le limitazioni del materiale PGA utilizzato.

La bioprinting 3D supera molti di questi problemi, utilizzando un modello CAD per sviluppare un’organizzazione 3D di cellule viventi all’interno di uno scaffold biodegradabile temporaneo. Ciò consente l’erogazione simultanea di biomateriali e cellule, con conseguente efficienza di semina e prevenzione della distribuzione cellulare non omogenea a causa della semina postfabbricazione. I ricercatori hanno mirato a valutare i vantaggi e i limiti delle diverse tecniche di ingegneria dei tessuti 3D e a raccomandare le aree in cui possono essere migliorate.

Il team di ricerca ha identificato potenziali problemi nel processo di bioprinting, che potrebbero portare alla produzione di tessuti difettosi. Immagine via Frontiers in Materials.
La valutazione dei ricercatori sulla bioprinting 3D

Valutando gli idrogel che vengono comunemente utilizzati per creare strutture cariche di cellule all’interno del processo di bioprinting 3D, i ricercatori hanno elogiato la loro flessibilità. I materiali morbidi possono essere progettati per imitare il microambiente extracellulare dei tessuti, consentendo la loro applicazione medica come biosensori, scaffold per la rigenerazione dei tessuti e tecnologia di rilascio dei farmaci. Tuttavia, i ricercatori hanno anche messo in evidenza i limiti di alcuni idrogel che possono indurre vari effetti collaterali stimolati dai residui di polimerizzazione. L’erosione e il degrado della rete polimerica nel tempo possono causare morte cellulare, danni al sistema nervoso centrale e irritazione della pelle o degli occhi.

I ricercatori suggeriscono che l’uso di una tecnica di polimerizzazione radicale a disattivazione reversibile, che si attacca e distacca periodicamente molecole o residui attivi, potrebbe prevenire gli esiti indesiderati prodotti durante la polimerizzazione. Inoltre, secondo il team di ricerca, durante la procedura di estrazione, i livelli di temperatura cellulare, ossigeno, anidride carbonica e pH sono spesso ignorati, e questo è essenziale per la loro vitalità. Citando una mancanza di ricerca sugli effetti delle cellule sul comportamento reologico dei bio-inchiostri, il team di ricerca ha aggiunto che l’aumento della densità cellulare spesso porta a una riduzione della capacità di reticolazione.

Un altro problema sollevato dai ricercatori sudafricani è stata la necessità di un nuovo bio-inchiostro che mantenga una bassa viscosità, pur mantenendo una consistenza che consenta la formazione di una post-stampa con struttura solida o semisolida. Questo spessore intermedio dimostra sfide significative e ostacola l’idoneità e la fattibilità del processo per la produzione su larga scala. La stampa in fluido perfluorocarburo ad alta densità (PFC) è risultata essere un metodo superiore rispetto al metodo di stampa comunemente usato da un mezzo di aria. Le goccioline di idrogel stampate immerse in PFC, presentavano un angolo di contatto maggiore, una ridotta planarità e un diametro ridotto rispetto alla stampa in un mezzo aereo.

È stato anche dimostrato che la reticolazione è efficace e l’introduzione di un 10% in peso / vol di CaCl2 tramite distribuzione di aerosol, ha mostrato un miglioramento della viscosità di una soluzione di alginato utilizzata come bio-inchiostro a base di idrogel. Ciò ha comportato un bio-inchiostro di alginato di idrogel che ha dimostrato una resistenza meccanica significativamente migliorata e la capacità di supportare le attività cellulari. Tuttavia, il fotocrosslink include anche l’esposizione della radiazione ultravioletta (UV) alle entità biologiche e questo può generare radicali liberi citotossici e stimolare l’infiammazione locale.

I ricercatori hanno concluso che la selezione del materiale distribuito nella bioprinting 3D è vitale per la creazione riuscita di tessuti stampati in 3D. Gli attuali biomateriali utilizzati nella stampa 3D sono limitati ad alginato, cellulosa, gelatina, poliacrilati e acido ialuronico e il team di ricerca ha suggerito che alla fine sarà necessario sviluppare un nuovo bio-inchiostro. Questo materiale dovrà essere in grado di fabbricare strutture multifunzionali con adeguata resistenza meccanica, al fine di supportare la vitalità e la stampabilità cellulare. Secondo i ricercatori sudafricani, la sua creazione richiederà un approccio multidisciplinare, che consiste nella pratica di chirurghi clinici e farmacisti e non si limita ai soli ricercatori.

Utilizzo della stampa 3D per creare tessuti biologici

Negli ultimi anni è stata ideata una gamma di biomateriali, al fine di consentire la fabbricazione di tessuti bioprintati 3D.

I ricercatori dell’Università del Colorado, Denver e della Southern University of Science and Technology in Cina, ad esempio, hanno creato un nuovo materiale di stampa 3D in grado di imitare i comportamenti dei tessuti biologici. Quando la resina elastomerica a cristalli liquidi simile al miele viene colpita con luce UV, indurisce e forma nuovi legami in una successione di sottili strati di fotopolimero.

Gli scienziati del Dipartimento di Ingegneria biomedica dell’Università del Texas A&M hanno creato un bio-inchiostro stampabile in 3D . Il biomateriale può essere utilizzato come piattaforma per la generazione di tessuti funzionali su scala anatomica ed è stato progettato per superare le carenze strutturali degli attuali bioinchiostri.

Gli ingegneri della Rutgers University del New Jersey hanno sviluppato un nuovo bio-inchiostro , costituito da cellule viventi, che può essere utilizzato per stampare scaffold 3D per la crescita dei tessuti umani. I ricercatori sono stati in grado di controllare con precisione le proprietà del materiale utilizzando varie tecniche di miscelazione.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Bioink a base di idrogel per la bioprinting 3D nella rigenerazione dei tessuti ” pubblicato sulla rivista Frontiers in Materials il 30 aprile 2020. Lo studio è stato co-autore di Previn Ramiah, Lisa C. du Toit, Yahya E. Choonara, Pierre PD Kondiah e Viness Pillay.

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