Confronto tra strutture rettangolari e reticolate nei bio-sistemi di stampa 3D

Nel bioprinting in 3D, scienziati e ricercatori usano bioink per il materiale, che viene caricato con celle per stampare strutture biologiche in 3D; una volta stampati, i meccanismi di reticolazione secondaria entrano in gioco per mantenere la fedeltà strutturale della forma. Questi bioink possono facilitare l’adesione, la proliferazione e la differenziazione delle cellule e anche mostrare tutte le caratteristiche di un ambiente a matrice extracellulare – rendendo possibile la creazione di tessuti umani specifici per il paziente in un ambiente di laboratorio.

Un sacco di ricerche riguardano lo sviluppo dei migliori bioink e li abbiamo visti realizzati con materiali come  cellule staminali , residui di canna da zucchero e idrogel di gelatina , ma secondo un nuovo studio collaborativo condotto da ricercatori dell’Università del Texas a El Paso , il La University of Texas di Austin e la RIKEN  in Giappone, la maggior parte non hanno incompatibilità e alta fedeltà, il che significa che non possono replicare lo stesso tipo di complessità che si trova negli organi e nei tessuti biologici.

Morfologia lorda del reticolo e delle strutture a fogli rettangolari stampate utilizzando pluronic e gelatina. (AI, BI) raffigurano la stl. l’immagine del file per il reticolo e le strutture rettangolari, rispettivamente. (AII, BII) rappresentano le immagini en-face per le stesse strutture stampate utilizzando Pluronic F-127. (AIII, BIII) sono rappresentazioni delle immagini en-face per reticoli e motivi rettangolari stampati usando il bioink a base di f-gelatina, rispettivamente.
Il team “ha ottimizzato le proprietà di un bioink a base di gelatina reticolabile a luce visibile” in uno studio precedente, e sono stati in grado di stampare con il doppio strato strutture rettangolari in 3D che sono state infuse con fibroblasti STO e myblasts C2C12. Ma, non erano in grado di valutare la capacità del bioink di creare strutture reticolari complesse, che possono essere utilizzate come scaffold fisici per le cellule su cui crescere.

Così, nel loro più recente articolo pubblicato, intitolato ” Uno studio comparativo su un reticolo 3D a base di gelatina e strutture a lastra rettangolare “, il team si è concentrato sul determinare se fosse possibile realizzare una struttura reticolare in 3D con lo stesso f- bioink a base di gelatina, e quindi utilizzare fattori come la porosità, le proprietà reologiche e la fedeltà strutturale per confrontarlo con la loro struttura precedente.

L’abstract dice: “I bioink attuali mancano sia di alta stampabilità che di biocompatibilità a questo riguardo. Quindi, lo sviluppo di bioink che mostrano entrambe le proprietà è necessario. Nel nostro precedente studio, un bioink a base di furfuril-gelatina, reticolabile mediante luce visibile, è stato utilizzato per creare strutture caricate su cellule mesenchimali di topo con alta fedeltà. In questo studio, le geometrie delle mesh reticolari sono state stampate in uno studio comparativo per testare le proprietà di un tradizionale foglio rettangolare. Dopo la stampa 3D e la reticolazione, entrambe le strutture sono state analizzate per il rigonfiamento e le proprietà reologiche e la loro porosità è stata stimata mediante microscopia elettronica a scansione. I risultati hanno mostrato che la struttura del reticolo era relativamente più porosa con proprietà reologiche avanzate e mostrava un tasso di degradazione più basso rispetto al foglio rettangolare. Inoltre, il reticolo permetteva alle cellule di proliferare in misura maggiore rispetto al foglio rettangolare, che inizialmente manteneva un numero inferiore di cellule. Tutti questi risultati hanno affermato collettivamente che il reticolo si pone come un progetto di scaffold superiore per le applicazioni di ingegneria tissutale. ”
(A) Analisi del rigonfiamento sia per il reticolo a base di f-gelatina sia per i fogli rettangolari per un periodo di tre giorni dopo essere stati sottoposti a reticolazione luminosa visibile. (B) Mostrato sopra in (BI, II) è un costrutto reticolare carico di cellule. In (BIII, IV) sono costrutti a foglio rettangolare carichi di celle. (BI, III) è stato acquisito dopo 24 ore di coltura. (BII, IV) è stato acquisito dopo 72 ore di coltura. Nessuna differenza significativa nei tassi di degradazione di entrambe le strutture era evidente a 72 ore di incubazione.
Il team ha utilizzato un bioprinter 3D Allevi 2 , precedentemente noto come BIOBOT 1 , per creare la miscela cellulare e bioink che avevano ottimizzato nello studio precedente. Per preparare il bioink è stata utilizzata una miscela di RB, HA e f-gelatina. Ritenevano che gli esperimenti da loro eseguiti per lo studio aiutassero a vedere più differenze tra le strutture rettangolari e reticolari, oltre a “aprire la possibilità di migliorare in modo significativo la progettazione di un costrutto bioprintostrato 3D per l’ingegneria del tessuto cardiaco-on-a- chip, usando il bioprinting. ”

I ricercatori hanno determinato che, confrontata con la struttura a foglio rettangolare, la struttura a reticolo multistrato sembrava essere l’impalcatura più stabile e forniva una porosità ottimale, pori ben collegati e una maggiore rigidità strutturale, il tutto combinato in modo tale che le cellule incapsulate proliferavano di più. Ciò significa che le strutture reticolari sono probabilmente una scelta migliore per uno scaffold per strutture bioprintellate in 3D nelle applicazioni di ingegneria dei tessuti.

“Questo studio ha rivelato differenze fondamentali in due strutture morbide chimicamente reticolari dissimili fabbricate usando lo stesso bioink”, hanno scritto i ricercatori. “Questa fondamentale differenza ha dato origine a proprietà meccaniche divergenti di entrambe le strutture, che possono aver influenzato anche il comportamento, la crescita e la proliferazione cellulare, consentendo alla struttura reticolare di consentire alle cellule di comunicare meglio, ottenendo alla fine rese cellulari migliori rispetto al foglio rettangolare . Inoltre, il reticolo consente di depositare più volume bioink, consentendo così di incapsulare un numero maggiore di cellule all’interno della struttura stampata. ”
Hanno concluso che in futuro, strutture reticolari in bioink 3D possono essere studiate come buone piattaforme per coltivare una varietà di tipi di cellule, in una modalità strato per strato, nella stessa struttura.

Un’immagine rappresentativa della sezione trasversale SEM di una struttura reticolare di gelatina che è stata acquisita per determinare la porosità apparente e la dimensione media dei pori (A). L’immagine SEM della sezione trasversale per la struttura a foglio rettangolare stampata usando f-gelatina era stata precedentemente riportata (B).
I coautori del libro sono Shweta Anil Kumar, Nishat Tasnim, Erick Dominguez, Shane Allen, Laura J. Suggs, Yoshihiro Ito  e  Binata Joddar.

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