Un team di ricercatori dell’Università di Toronto ha costruito una biostampante open source economica per la stampa 3D di ramificazioni, costruzioni vascolari con base di idrogel
Sebbene il bioprinting 3D non sia ancora in grado di fabbricare organi umani completi, può essere utilizzato per fabbricare diversi tipi di tessuti umani , come il dotto cardiaco e biliare . Uno dei principali ostacoli alla formazione di tessuti vitali per uso clinico e scientifico è lo sviluppo del sistema vascolare per i costrutti di tessuti ingegnerizzati, principalmente a causa della generazione di canali di ramificazione nei costrutti idrogel che possono successivamente produrre strutture simili a vasi dopo la semina con cellule endoteliali.
Ma grazie al bioprinting 3D, è ora possibile stampare in 3D strutture complesse su più scale di lunghezza all’interno di un singolo costrutto. Ciò consente la generazione di sistemi di vasi interconnessi ramificati di microvasi di piccole dimensioni, simili a vene e di grandi dimensioni, che non potrebbero essere eseguiti con i precedenti metodi di ingegneria tissutale. Tuttavia, il miglior materiale sacrificale per fabbricare i condotti vascolari ramificati nei costrutti a base di idrogel deve ancora essere determinato.
Un team di ricercatori dell’Università di Toronto ha pubblicato un articolo intitolato ” Generare canali vascolari all’interno di costrutti idrogel utilizzando un bioprinter 3D open source economico e gel termoreversibili “, nella rivista Bioprinting . Co-autori del documento includono Ross EB Fitzsimmons , Mark S. Aquilino, Jasmine Quigley, Oleg Chebotarev , Farhang Tarlan e Craig A. Simmons.
L’abstract dice: “L’avvento del bioprinting 3D offre nuove opportunità per creare complesse strutture vascolari all’interno dei tessuti ingegnerizzati. Tuttavia, il materiale sacrificale più adatto per produrre condotti vascolari ramificati all’interno di costrutti basati su idrogel non è stato ancora risolto. Qui, valutiamo due principali contendenti, gelatina e Pluronic F-127, per un numero di caratteristiche rilevanti per il loro uso come materiali sacrificali (diametro del filamento stampato e sua variabilità, tossicità, proprietà reologiche e moduli di compressione). Per aiutare nella nostra valutazione e aiutare ad accelerare l’adozione del bioprinting 3D da parte del settore biomedicale, abbiamo costruito su misura un bioprinter 3D economico (<$ 3000 CAD). Questa stampante 3D open source è stata progettata per essere fabbricata in modo modulare con componenti stampati / tagliati in 3D e componenti elettronici pronti per l’uso per consentire un facile assemblaggio, miglioramenti iterativi e personalizzazione da parte dei futuri utenti del design. Abbiamo trovato Pluronic F-127 per produrre filamenti con maggiore risoluzione spaziale, maggiore uniformità e un modulo elastico maggiore rispetto ai filamenti di gelatina, e con bassa tossicità nonostante sia un tensioattivo, il che lo rende particolarmente adatto per la progettazione di condotte vascolari più piccole. In particolare, l’aggiunta di acido ialuronico alla gelatina ha aumentato la sua viscosità per ottenere risoluzioni di filamenti e uniformità di stampa avvicinandosi a quella con Pluronic F-127. La gelatina-ialuronano era anche più resistente alla deformazione plastica di Pluronic F-127, e quindi può essere vantaggioso in situazioni in cui il materiale sacrificale fornisce supporto strutturale. Ci aspettiamo che questo lavoro per stabilire un bioprinter 3D economico e valutare i materiali sacrificali aiuterà lo sviluppo in corso di tessuti vascolarizzati e aiuterà ad accelerare l’adozione diffusa di bioprinting 3D per creare tessuti ingegnerizzati “.
Hardware 3D Bioprinter.
I bioprinters 3D esistenti hanno diversi vantaggi tecnici e metodi di deposito, che influenzano i loro prezzi e le applicazioni disponibili. Le stampanti 3D basate su estrusione sono utili per l’ingegneria dei tessuti, ma il costo è in genere troppo elevato perché il campo sviluppi una crescita significativa.
Per questo esperimento, i ricercatori hanno scelto di creare il proprio bioprinter 3D open source, che costa circa $ 3.000 e può essere utilizzato per applicazioni a bassa risoluzione, come la stampa 3D di microvasi perfusi nei costrutti di tessuti.
Panoramica operativa della stampante.
Sia il metodo scelto che il materiale devono soddisfare un certo numero di requisiti per la stampa 3D con successo di complessi sistemi di vasi ramificati all’interno di costrutti idrogel. In primo luogo, i materiali sacrificali, che devono essere non tossici e mantenere un diametro del filamento uniforme durante la stampa, devono essere depositati nel design vascolare desiderato durante la stampa, quindi essere lavati via una volta eseguito il costrutto.
Inoltre, la stampante 3D deve avere una risoluzione sufficiente per stampare tutti i canali, anche quelli che fungeranno da piccoli vasi arteriosi di ~ 0,5-1 mm. Deve anche essere in grado di depositare almeno due materiali, anche se di più è meglio quando si tratta di creare tessuti eterogenei con diverse regioni di diversa composizione cellulare e idrogel.
Il team ha studiato le formulazioni di gelatina e PF127 a causa dei loro potenziali vantaggi come materiali sacrificali nei costrutti di tessuti a base di idrogel. La gelatina, che è stata utilizzata in diverse applicazioni biomediche, è un biopolimero termoreversibile (proprietà di alcune sostanze da invertire quando esposto al calore) di numerosi segmenti di collagene idrolizzato e può essere stampato in 3D a ~ 37 ° C, che è una temperatura compatibile con le cellule.
PF127 è un tensioattivo, il che significa che potrebbe avere potenziali effetti citotossici sulle cellule incorporate. Tuttavia, ha una gelificazione termica inversa, il che significa che può essere stampata in 3D a una temperatura ambiente e quindi rimossa a ~ 4 ° C per creare canali vascolari vuoti.
Secondo il giornale, “Usando la nostra stampante su misura per valutare la stampabilità di questi materiali e valutare le proprietà meccaniche, abbiamo mirato a stabilire quale potrebbe essere l’opzione migliore per creare canali vascolari ramificati all’interno dei tessuti ingegnerizzati.”
Il bioprint 3D modulare del team include sistemi di estrusione, stampati in 3D in ABS su una stampante MakerBot 3D, progettati specificamente per contenere siringhe sterili da 10 ml disponibili in commercio, invece di serbatoi personalizzati che devono essere fabbricati appositamente e ripetutamente sterilizzato. Una scheda controller Duet v0.6 open source controlla il sistema e le testine di stampa sono isolate dai movimenti XYZ eseguiti dalla parte inferiore dello chassis.
Costruire canali perfusibili.
A fini di test, le gocce d’acqua sono state stampate in 3D in un modello definito con ciascun sistema di estrusione e sono state misurate la distanza media tra i centri delle goccioline nelle direzioni X e Y; quindi, le distanze medie sono state confrontate con le distanze predefinite del modello CAD.
“In conclusione, abbiamo scoperto che PF127 è generalmente superiore alla gelatina come materiale sacrificale per la creazione di tessuti vascolarizzati per merito della sua uniformità del filamento durante la stampa e del suo maggiore modulo di compressione”, ha concluso il documento.
