I materiali a due fotoni ad alte prestazioni di UpNano

La biologia cellulare ha caratteristiche molto particolari. Nell’ultimo decennio, ricercatori e scienziati ci hanno stupito con le loro scoperte in bioprinting e medicina rigenerativa , dimostrando che gran parte di ciò che accade in laboratorio è fondamentalmente conoscere e comprendere le cellule. Queste strutture microscopiche sono il fondamento della maggior parte dei progetti in cui le cellule sono modellate per crescere in tessuti maturi, interagendo con altre cellule e componenti non cellulari del loro ambiente locale, come la matrice extracellulare e le fonti nutritive. Ma ci sono state alcune sfide lungo la strada, in sostanza: hdeve mantenere in vita le cellule, quali materiali utilizzare per le cellule in cui vivere, e tenere il passo con i requisiti delle microparti nel settore produttivo e nella ricerca accademica e industriale. E questa è una grande parte del bioprinting. La crescita dei tessuti e il comportamento delle cellule possono essere controllati e studiati particolarmente bene incorporando le cellule in un delicato quadro 3D, tuttavia alcuni metodi sono molto imprecisi o consentono solo una finestra di tempo molto breve in cui le cellule possono essere processate senza essere danneggiate. Inoltre, i materiali utilizzati devono essere compatibili con le cellule durante e dopo il processo, limitando la varietà di materiali possibili, tra cui polimeri sintetici e naturali biocompatibili. Ora un nuovo processo di bioprinting ad alta risoluzione sviluppato presso l’ Università della Tecnologia di Vienna (TU Wien), in Austria, garantisce che le cellule viventi possano essere integrate in strutture sottili create in una stampante 3D estremamente velocemente.

Grazie allo speciale bioink e al sistema di stampa 3D, le celle possono essere incorporate in una matrice 3D stampata con precisione micrometrica, alla velocità di stampa di un metro al secondo. Questo processo di bioprinting ad alta risoluzione con materiali completamente nuovi consente la fabbricazione di strutture e trame di superficie che imitano il microambiente delle cellule.

“Il comportamento di una cellula dipende fondamentalmente dalle proprietà meccaniche, chimiche e geometriche del suo ambiente”, ha dichiarato Aleksandr Ovsianikov, capo del gruppo di ricerca sulla stampa 3D e la biofabbricazione presso l’ Istituto di scienza e tecnologia dei materiali di TU Wien. “Le strutture in cui sono incorporate le cellule devono essere permeabili ai nutrienti in modo che le cellule possano sopravvivere e moltiplicarsi. Ma è anche importante se le strutture sono rigide o flessibili e se sono stabili o degradano nel tempo ”.

La tecnologia di stampa 3D ad alta risoluzione e i materiali sono commercializzati da UpNano GmbH, una società spin-off di TU Wien. Il sistema di stampa 3D ultraveloce ad alta risoluzione chiamato NanoOne si basa sulla litografia multifotonica e combina la precisione della polimerizzazione a due fotoni . UpNano afferma che il loro processo brevettato consente la produzione in lotti di micropartite con la massima risoluzione e complessità sul mercato, consentendo la produzione economica di parti polimeriche dalla micro alla mesoscala. Il processo biocompatibile in combinazione con materiali ottimizzati facilita le cellule, i tessuti e la biofabbricazione. Ciò significa che le cellule viventi scelte possono essere miscelate nel materiale e stampate direttamente o seminate su strutture di ponteggio sterili prefabbricate.

Al fine di ottenere una risoluzione estremamente elevata, i metodi di polimerizzazione a due fotoni sono stati utilizzati per anni presso TU Wien. Questo metodo usa una reazione chimica che è iniziata solo quando una molecola del materiale assorbe simultaneamente due fotoni del raggio laser. Secondo l’istituto, ciò è possibile solo se il raggio laser ha un’intensità particolarmente elevata. A questi punti, la sostanza si indurisce, mentre rimane liquida ovunque. Pertanto, questo metodo a due fotoni è più adatto per produrre strutture estremamente fini con elevata precisione.

Tuttavia, queste tecniche ad alta risoluzione di solito hanno lo svantaggio di essere molto lente, spesso nel range di micrometri o pochi millimetri al secondo. Alla TU Wien, tuttavia, i materiali a misura di cellula possono essere lavorati a una velocità superiore a un metro al secondo e sostengono che solo se l’intero processo può essere completato entro poche ore ci sono buone probabilità che le cellule sopravvivano e sviluppando ulteriormente.

Secondo Ovsianikov, “la stampa microscopica di oggetti 3D non è più un problema oggi, tuttavia, l’uso di cellule viventi presenta alla scienza sfide completamente nuove: fino ad oggi, è mancata semplicemente la mancanza di sostanze chimiche adatte. Hai bisogno di liquidi o gel che si solidifichino esattamente dove li illumini con un raggio laser focalizzato. Tuttavia, questi materiali non devono essere dannosi per le cellule e l’intero processo deve avvenire molto rapidamente. “

I materiali a due fotoni ad alte prestazioni di UpNano sono progettati e ottimizzati per sfruttare appieno il potenziale del sistema di stampa NanoOne. Oltre a UpBio, il materiale idrogel per applicazioni biologiche e bioprinting , UpNano offre fotopolimeri (UpPhoto) e materiali ibridi sol-gel (UpSol). Le cellule viventi scelte possono essere miscelate nel materiale e stampate direttamente, e le cellule incorporate in una matrice UpBio possono essere utilizzate per test 3D in vitro su cellule, che acquisiscono un’importanza crescente nella coltura cellulare, nella rigenerazione dei tessuti e nella ricerca farmaceutica.

“Il nostro metodo offre molte possibilità di adattamento all’ambiente delle cellule. A seconda di come viene costruita, la struttura può essere resa più rigida o più morbida. Sono possibili anche pendenze fini e continue. In questo modo, possiamo definire esattamente come dovrebbe apparire la struttura per consentire il tipo desiderato di crescita cellulare e migrazione cellulare. L’intensità del laser può anche essere utilizzata per determinare la facilità con cui la struttura verrà degradata nel tempo. “

Ovsianikov è convinto che questo sia un importante passo avanti per la ricerca cellulare: “Usando questi scaffold 3D, è possibile studiare il comportamento delle cellule con una precisione precedentemente irraggiungibile. È possibile studiare la diffusione delle malattie e, se si utilizzano cellule staminali, è anche possibile produrre tessuti su misura in questo modo ”.

Il progetto di ricerca è una cooperazione internazionale e interdisciplinare in cui sono stati coinvolti tre diversi istituti della TU Vienna: il gruppo di ricerca di Ovsianikov era responsabile della tecnologia di stampa stessa, l’ Istituto di chimica sintetica applicata della TU Wien ha sviluppato fotoiniziatori veloci e ottimizzati per le cellule (il sostanze che avviano il processo di indurimento quando illuminato) e l’ Istituto di strutture leggere e biomeccanica strutturale di TU Wien hanno analizzato le proprietà meccaniche delle strutture stampate.

I vantaggi del sistema di stampa ad alta risoluzione NanoOne consentono la produzione additiva di microparticelle polimeriche nella ricerca, scienza e industria, con dimensioni delle parti raggiungibili, che vanno dalla micro alla mesoscala, con dettagli della struttura in una gamma submicrometrica e produttività del sistema che si apre un universo di possibilità applicative. Considerando che UpNano è una società nuovissima, fondata nel 2018, possiamo aspettarci che i ricercatori trovino alcune soluzioni molto interessanti in un universo di applicazioni.

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