Biomodelli stampati in 3D in studi sperimentali sul flusso sanguigno


Esistono molte applicazioni per la stampa 3D nella comunità della ricerca biomedica, come strumenti lab-on-a-chip , pianificazione chirurgica e consegna di farmaci . Ancora un altro sono i biomodelli 3D, che sono al centro di uno studio, intitolato ” Biomodelli stampati 3D a basso costo per applicazioni di meccanica dei biofluidi “, pubblicato da un gruppo di ricercatori portoghesi dell’Università del Minho e del Politecnico di Bragança . Carlos L. Faria, Diana Pinho, Jorge Santos, Luís M. Gonçalves e Rui Lima hanno discusso della fabbricazione di biomodelli 3D per l’uso negli studi emodinamici (relativi al flusso di sangue all’interno degli organi e dei tessuti del corpo).

L’abstract afferma: “Questo documento mostra la capacità delle stampanti 3D desktop (note anche come stampanti 3D a basso costo) di produrre biomodelli 3D in grado di essere utilizzati negli studi di flusso sperimentale emodinamico. Complessivamente, questo documento mostra che il processo FDM (Fused Deposition Modeling) combinato con lo stampaggio a replicazione del polidimetilsilossano (PDMS) è un modo promettente per produrre dispositivi biomedici convenienti per eseguire studi emodinamici sia a livello macro che a livello di microscala. ”

I biomodelli sono dispositivi – fisici o virtuali – che replicano la forma o la geometria di una struttura biologica, come un’arteria. Possono essere utilizzati per eseguire esperimenti numerici e in vitro e, per il loro documento, i ricercatori hanno presentato una panoramica dei biomodelli di polidimetilsilossano (PDMS) di successo realizzati su stampanti 3D desktop, combinati con lo stampaggio di replicazione PDMS, al fine di completare gli studi sul flusso sanguigno in vitro a livello di microscala e macroscala.

Il team ha testato tre diverse stampanti 3D per eseguire studi di micro e macro flusso. I modelli macro di arterie carotidi umane sono stati inizialmente costruiti sullo Zprinter 310 Plus, ma il team è poi passato ai sistemi basati sull’estrusione di Big Builder e Cube 3D.

“Il modello di aneurisma intracranico e i modelli 3D dei micro-dispositivi sono stati fabbricati depositando il materiale termoplastico acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) su un palco strato per strato attraverso un ugello di estrusione”, hanno scritto i ricercatori. “I vantaggi di questo metodo sono il basso costo, la velocità e la capacità di applicare diversi tipi di materiali termoplastici, come l’ABS, l’acido polilattico (PLA) e il nylon”.

Le scansioni CT (TC) sono state utilizzate per la stampa 3D (TDP) della geometria dell’arteria carotide umana per i modelli PDMS negli studi sul flusso macro. Il software Scan IP è stato utilizzato per segmentare le immagini TC e il file è stato convertito in un STL. I modelli stampati in 3D sono stati quindi inseriti in una scatola di stampaggio e il PDMS biocompatibile è stato versato sullo stampo master e polimerizzato. Dopo che si è raffreddato, il modello è stato rimosso dalla scatola dello stampo “dove erano collegati i tubi di ingresso e uscita”.

“Nel caso dei dispositivi microfluidici PDMS (dimensioni da 5 mm fino a 0,3 mm) per eseguire studi di flusso a livello di microscala, i modelli 3D sono stati ottenuti con il processo FDM combinato con lo stampaggio della replica PDMS”, ha spiegato il team. “Il PDMS (Sylgard® 186, Dow Corning) è stato preparato anche mescolando il prepolimero con l’agente indurente con rapporto 10: 1 e versato sui modelli stampati posti sul fondo di una capsula di Petri e polimerizzato in forno a 80 ° C per 20 minuti. Parallelamente, un’altra miscela di PDMS (rapporto 20: 1) è stata spalmata a 5.000 giri / min per 2 minuti (VTC-100 Vacuum Spin Coater) su una lastra di vetro e polimerizzata in forno a 80 ° C per 20 minuti. Usando una lama, i micro canali sono stati tagliati e i fori di ingresso / uscita del fluido sono stati fatti usando una punta di erogazione del fluido. Infine, i canali sono stati sigillati utilizzando il vetrino rivestito.

Il team ha quindi presentato una panoramica del lavoro di altri ricercatori incentrato sull’uso di modelli 3D PDMS per studi di macro-flusso, come i modelli di arterie carotidi stampate in 3D con e senza aneurismi e una valutazione dell’espansione della parete di un modello di aneurisma intracranico stampato in 3D FDM.

“I modelli trasparenti PDMS ottenuti dai modelli 3D fabbricati con la tecnica TDP hanno dimostrato di essere un modo promettente per eseguire studi sul flusso sanguigno in vitro attraverso la replica anatomicamente realistica di un’arteria carotide umana con e senza aneurismi”, hanno spiegato riguardo al precedente studio .

“Un approccio promettente per comprendere il comportamento meccanico degli aneurismi è la misurazione della deformabilità delle pareti mediante tecniche ottiche”, hanno continuato a proposito di quest’ultimo studio.

“Pinho et al. [ 16 ] hanno sviluppato una metodologia in grado di misurare sperimentalmente il campo di spostamento di un modello di aneurisma intracranico in vitro. Questo metodo è una combinazione di modelli di aneurisma in vitro fabbricati in PDMS … e l’uso di una tecnica ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) “.

Questo secondo studio ha dimostrato che lo spessore delle pareti è importante in termini di avvio della crescita dell’aneurisma e successiva rottura, e che la stampa 3D può aiutare a convalidare le simulazioni numeriche degli aneurismi e trovare maggiori dettagli sulle cause delle rotture.

I ricercatori hanno anche discusso di numerosi studi sperimentali sul flusso di micro-sangue in vitro, usando microdispositivi stampati in 3D, che hanno avuto luogo per fornire una migliore comprensione dei fenomeni di flusso sanguigno in microvasi e microdispositivi biomedici. Hanno notato che un metodo di litografia soft con apparecchiature costose è il modo più comune per realizzare dispositivi microfluidici, motivo per cui è “importante esplorare tecniche di fabbricazione a basso costo”.

“Le stampanti 3D desktop hanno mostrato il potenziale per fabbricare canali di circa 1 mm, tuttavia pochi lavori hanno esplorato la capacità delle stampanti 3D a basso costo di fabbricare dispositivi microfluidici”, hanno scritto. “Nel presente lavoro abbiamo testato la fabbricazione di diversi microcanali fino a 0,3 mm utilizzando due diverse stampanti desktop basate sul processo FDM.”

Hanno stampato in 3D diversi modelli master di microcanali in ABS per eseguire studi sul flusso sanguigno in vitro e hanno anche realizzato dispositivi di flusso PDMS dagli stampi master stampati in 3D per studiare il fenomeno del flusso sanguigno a strato libero (CFL) che si verifica durante la microcircolazione.

“Dai risultati ottenuti da tutti i dispositivi di flusso PDMS testati abbiamo osservato solo un CFL chiaro sui dispositivi PDMS fabbricati dalla stampante 3D Cube con un’altezza di 0,1 mm. La Fig.6 mostra chiaramente che ad un’altezza di 0,1 mm c’è una tendenza a generare una regione impoverita delle cellule attorno alla parete del microcanale “, hanno scritto i ricercatori. “Al contrario, questa tendenza non è stata osservata per le altezze di 0,5 e 1 mm. Sebbene, questi risultati abbiano dimostrato che è possibile avere la formazione di un CFL all’interno dei microcanali prodotti dalla stampante 3D Cube, la larghezza dei canali di flusso deve essere ulteriormente ridotta al fine di ottenere una sezione trasversale con una geometria più vicina a veri microvasi. “

Il team è soddisfatto dei risultati “estremamente incoraggianti” ottenuti dai dispositivi stampati in 3D combinati con stampi PDMS.

“Riteniamo che questa combinazione sia una tecnica promettente per eseguire studi del sangue in vitro più realistici attraverso modelli anatomici e di conseguenza migliorare la nostra attuale comprensione dell’origine e dello sviluppo delle malattie cardiovascolari”, hanno concluso.

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