Dalla stampa 3D reti vascolari artificiali dallo zucchero a velo

I RICERCATORI DELLA RICE UNIVERSITY SVILUPPANO UN NUOVO MODO DOLCE DI STAMPARE IN RETE LE RETI VASCOLARI

I ricercatori della Rice University hanno sviluppato un nuovo metodo di utilizzo della stampa 3D per creare reti vascolari artificiali dallo zucchero a velo.

Sostituendo i metodi di produzione tradizionali con la stampa 3D Selective Laser Sintering (SLS), il team ha creato modelli sacrificali realizzati con polveri di carboidrati sinterizzate al laser. Questi costrutti a base di zucchero consentono agli idrogel carichi di cellule di essere modellati con reti di vasi dendritici, senza l’uso di materiali di supporto. La tecnica di nuova concezione potrebbe migliorare la velocità e le dimensioni della produzione di biomateriali.

“Uno dei maggiori ostacoli all’ingegneria dei tessuti clinicamente rilevanti è l’imballaggio di una grande struttura tissutale con centinaia di milioni di cellule viventi”, ha dichiarato Ian Kinstlinger, autore principale e studente laureato presso la Brown School of Engineering della Rice. “La sinterizzazione laser selettiva ci offre un controllo molto maggiore in tutte e tre le dimensioni, consentendoci di accedere facilmente a topologie complesse preservando l’utilità del materiale zuccherino”.

“UN GRANDE VANTAGGIO DI QUESTO APPROCCIO È LA VELOCITÀ CON CUI POSSIAMO GENERARE CIASCUNA STRUTTURA DI TESSUTO. SIAMO IN GRADO DI CREARE ALCUNI DEI PIÙ GRANDI MODELLI DI TESSUTI MAI DIMOSTRATI IN MENO DI CINQUE MINUTI. ”

La funzione metabolica nei tessuti umani è sostenuta dalla consegna di ossigeno e sostanze nutritive, nonché dalla rimozione di rifiuti, attraverso complesse reti 3D di vasi sanguigni. La comprensione dei sistemi vascolari è stata essenziale per gli scienziati nella creazione di organismi pluricellulari e la loro riproduzione è altrettanto vitale per consentire lo sviluppo di tessuti stampati in 3D. Secondo il team di ricerca, questi tessuti devono essere supportati utilizzando matrici biocompatibili, al fine di sopravvivere e fornire i nutrienti richiesti all’ospite del tessuto.

Precedenti studi hanno visto la litografia morbida e i metodi di stampaggio ad ago utilizzati per creare queste matrici, ma i progressi della stampa 3D hanno portato all’aumento dell’adozione di metodi come l’estrusione diretta e i polimeri creati a getto d’inchiostro. In altre ricerche, la luce è stata sfruttata per generare sofisticate architetture di microcanali, ma il “modello sacrificale” è emerso come il metodo dominante e più ampiamente utilizzato.

La tecnica del modello prevede la creazione di una gelatina sacrificale temporanea nella forma della rete vascolare desiderata, in cui le cellule vengono racchiuse e quindi rimosse selettivamente. Mentre le tecniche di stampa 3D basate sull’estrusione hanno portato ad una maggiore adozione di questo metodo, le caratteristiche e la complessità delle reti sacrificate sono rimaste limitate. “Esistono alcune architetture, come strutture a sbalzo, reti ramificate e reti multivascolari, che non si può davvero fare bene con la stampa di estrusione”, ha spiegato Jordan Miller, coautore dello studio e assistente professore di bioingegneria a Rice.

Di conseguenza, i sistemi vascolari stampati con metodi di estrusione sono spesso soggetti a deformazione o collasso sotto il loro stesso peso e la loro viscosità e tensione superficiale rendono difficile l’erogazione precisa di piccoli volumi. Inoltre, la stampa delle celle con materiali di supporto può mitigare questi problemi, ma a spese di tempi di stampa più lunghi e di ulteriori fasi di post-elaborazione, che diventano sempre più difficili con l’aumentare della complessità vascolare.

Nel frattempo, la stampa 3D SLS utilizza un volume di costruzione completamente supportato e basato su polvere, che consente la fabbricazione di oggetti con sporgenze complicate e geometrie non supportate. “La sinterizzazione laser selettiva ci offre un controllo molto maggiore in tutte e tre le dimensioni, permettendoci di accedere facilmente a topologie complesse preservando l’utilità del materiale zuccherino”, ha aggiunto Miller.

Il team di ricerca ha ipotizzato che l’uso della stampa 3D SLS per produrre materiali sacrificali anziché tecniche di estrusione, potrebbe consentire alle reti vascolari negli idrogel di essere prontamente modellate in presenza di fragili cellule umane. Creando reti di filamenti di carboidrati ampiamente ramificate tramite SLS e applicandole in modo sacrificale alle strutture di reti vascolari volumetriche, il team mirava a creare un processo di bioprinting più rapido e stabile.

L’isomalto, un alcool di zucchero comunemente usato nelle losanghe senza zucchero, è stato trovato compatibile con SLS e il team ha ideato un flusso di lavoro per la fabbricazione automatizzata di strutture 3D dalla polvere di isomalto. Mentre sarebbe stato possibile sinterizzare un singolo strato di isomalto puro, la forte coesione della polvere e la fluidità relativamente scarsa lo hanno reso inadatto per la diffusione in strati lisci e sottili come richiesto. Si è scoperto che un’ulteriore miscelazione della polvere con l’amido di mais aumenta efficacemente il flusso della polvere preservando la qualità della sinterizzazione. Usando questa miscela, il team di ricerca ha fabbricato con successo strutture con ramificazioni 3D e geometria non supportata.

A partire dalla modellazione di una semplice architettura ramificata, i ricercatori hanno continuato a lanciare una serie di elastomeri, plastica rigida e idrogel attorno a carboidrati post-elaborati. Durante il processo, l’idrogel è diventato semi-solido in pochi minuti e il modello originale è stato quindi sacrificato, sciolto in acqua o soluzione salina tamponata con fosfato (PBS). In ogni caso, la perfusione attraverso la rete di canali modellata ha dimostrato la pervietà del canale e la connettività dei filamenti ramificati. Nonostante l’opacità dei carboidrati sinterizzati, i polietilenglicole e i gel di diacrilato sono stati polimerizzati con successo dalla luce incidente da vari punti di vista, dimostrando la metodologia del team.

Inoltre, l’iterazione recentemente sviluppata dai ricercatori dell’hardware e del firmware OpenSLS, ha ottimizzato il processo per i carboidrati SLS e una toolchain software aggiornata è stata utilizzata per preparare modelli 3D. Manipolando le capacità multi-estrusore di un software di slicing open source progettato per le stampanti 3D di estrusione, il team è stato in grado di codificare specifici parametri di sinterizzazione, consentendo loro di mettere a punto la geometria finale del modello.

Lavorando con scienziati dell’Università di Washington il cui gruppo di ricerca è specializzato nello studio delle cellule delicate, il team ha successivamente dimostrato la semina di cellule endoteliali in cellule di fegato di roditore chiamate epatociti. “Abbiamo dimostrato che la perfusione attraverso le reti vascolari 3D ci consente di sostenere questi grandi tessuti simili al fegato”, ha affermato Miller. “Mentre ci sono ancora sfide di vecchia data associate al mantenimento della funzione degli epatociti, la capacità di generare grandi volumi di tessuto e di sostenere le cellule in quei volumi per un tempo sufficiente a valutare la loro funzione è un emozionante passo avanti.”

La nuova metodologia del team Rice ha permesso loro di superare gli inconvenienti delle precedenti tecniche di stampa 3D e di produrre reti fluide elaborate all’interno di tessuti viventi ingegnerizzati. Inoltre, mentre la tecnica OpenSLS dei ricercatori ha permesso loro di creare in modo efficace carboidrati con diametri fino a 300 μm, i componenti ottici di qualità più elevata nelle stampanti SLS commerciali potrebbero tuttavia produrre modelli a risoluzione più elevata. Questo apre l’opportunità per ulteriori aggiornamenti per il processo. Tuttavia, la rapida natura del processo di fabbricazione, senza che nessuno degli esperimenti durasse più di 15 minuti, potrebbe ancora consentire di utilizzare il processo in una vasta gamma di applicazioni di bioprinting.

“Questo metodo potrebbe essere utilizzato con una gamma molto più ampia di cocktail di materiali rispetto a molte altre tecnologie di bioprinting”, ha aggiunto Kelly Stevens, co-autrice e bioingegnere dell’Università di Washington. “Questo lo rende incredibilmente versatile.”

Applicazioni vascolari nella stampa 3D

Una serie di tecniche di produzione additiva sono state sviluppate da aziende e ricercatori negli ultimi anni, con l’obiettivo di produrre strutture simili a quelle vascolari. I ricercatori dell’Università di Nottingham e della Queen Mary University di Londra, ad esempio, hanno ossido di grafene stampato in 3D con una proteina che può organizzarsi in strutture che replicano i tessuti vascolari .

Gli scienziati del Boston University College of Engineering , invece, hanno sviluppato un nuovo metodo per il trattamento dell’ischemia, stampando in 3D un cerotto vascolare che incoraggia la crescita dei vasi sanguigni. I cerotti sono stati testati su roditori e si sono dimostrati in grado di trasportare nutrienti attorno ai loro corpi.

Svedese produttore Cellink e la società con sede in Texas Biomanufacturing volumetrico , nel frattempo, ha introdotto una stampante 3D, che è stato progettato per la produzione di grandi strutture vascolari. La bioprinter Lumen X Digital Light Processing (DLP) lavora con bioink per stampare strutture ad alta risoluzione, macroporose e vascolari.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Generazione di tessuti modello con reti vascolari dendritiche tramite modelli sacrificali di carboidrati sinterizzati con laser ” pubblicato sulla rivista Nature Biomedical Engineering il 29 giugno 2020. Il rapporto è stato scritto da Ian S. Kinstlinger , Sarah H. Saxton, Gisele A. Calderon, Karen Vasquez Ruiz, David R. Yalacki, Palvasha R. Deme, Jessica E. Rosenkrantz, Jesse D. Louis-Rosenberg, Fredrik Johansson, Kevin D. Janson, Daniel W. Sazer, Saarang S. Panchavati, Karl-Dimiter Bissig, Kelly R. Stevens e Jordan S. Miller.

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