Inchiostri Microgel compressi per applicazioni di stampa 3D

Diversità nelle composizioni di microgel per la fabbricazione di inchiostri.
Un trio di ricercatori dell’Università della Pennsylvania ha pubblicato un documento, intitolato ” Inchiostri Microgel inceppati per applicazioni di stampa 3D “, sul loro uso di microgel inceppati come inchiostro per la stampa, al fine di affrontare i vari limiti del bioprinting 3D con idrogel. Ricercatori e scienziati usano il bioprinting 3D per organizzare materiali e celle in strutture 3D e, sebbene possa fare cose incredibili, la tecnologia presenta ancora molte sfide, come le restrizioni sui materiali e il raggiungimento della corretta risoluzione e stabilità per i costrutti stampati. Mentre i materiali di idrogel morbido sono spesso utilizzati nell’ingegneria dei tessuti, grazie alle proprietà biochimiche e biofisiche regolabili, è difficile stamparli senza l’utilizzo di alcun tipo di additivo o modifica.

L’abstract dice: “La stampa 3D comporta lo sviluppo di inchiostri che presentano le proprietà richieste sia per la stampa che per l’applicazione prevista. Nel bioprinting, questi inchiostri sono spesso idrogel con proprietà reologiche controllate che possono essere stabilizzate dopo la deposizione. Qui, viene sviluppato un approccio alternativo in cui l’inchiostro è composto esclusivamente da microgel inceppati, progettati per incorporare una gamma di proprietà attraverso il design di microgel (ad esempio, composizione, dimensioni) e attraverso la miscelazione di microgel. Gli inchiostri a microgel inceppati sono assottigliati per consentire il flusso e recuperare rapidamente dopo il deposito, anche su superfici o quando sono depositati in 3D all’interno di supporti di idrogel, e possono essere ulteriormente stabilizzati con reticolazione secondaria. Questa piattaforma consente l’uso di microgel ingegnerizzati da vari materiali (ad es. acido ialuronico reticolante tiolo-ene (HA), poli reticolato (glicole etilenico), agarosio termosensibile) e che incorporano cellule, dove il processo di inceppamento e la stampa non diminuiscono la vitalità cellulare. La versatilità di questo approccio basato su particelle apre numerose potenziali applicazioni biomediche attraverso la stampa di un set di inchiostri più diversificato. ”
Fabbricazione dell’inchiostro microgel inceppato, proprietà reologiche ed estrusione.
Le microparticelle trovate nei sistemi inceppati sono impacchettate in modo piuttosto denso e le interazioni fisiche con le particelle circostanti le immobilizzano. Ciò si traduce in materiali macroscopici che si comportano come solidi, fino a quando il movimento è indotto dalla forza applicata.

“Nel caso di formulazioni di microgel ad alta densità come quelle qui usate, il volume del microgel potrebbe deformarsi elasticamente al di sotto della tensione di snervamento, ma non vi è movimento di singoli microgel. Tuttavia, un’applicazione di stress sufficiente a un volume di microgel si traduce in movimento dei microgel l’uno rispetto all’altro poiché lo stress supera le forze di compressione che resistono al movimento “, hanno spiegato i ricercatori. “Inoltre, riducendo lo stress applicato sotto lo stress di snervamento, il sistema recupera. Questo flusso e il recupero del sistema inceppato in risposta allo stress soddisfano le esigenze di progettazione degli inchiostri per la stampa 3D, senza la necessità di modifiche o riarrangiamenti nelle strutture molecolari dei materiali per la stampa. Inoltre, l’inceppamento dei microgel dovrebbe essere indipendente dalla composizione del microgel,
I microgel compressi funzionano come bioink perché consentono alle particelle di idrogel reticolate di essere formate come una massa aggregata, che può quindi essere estrusa come un filamento stabile senza l’utilizzo di altri materiali o l’ingegnerizzazione di interazioni con interparticelle. I ricercatori hanno formato inchiostri Microgel attraverso l’uso di dispositivi microfluidici.

I ricercatori hanno detto: “Vi è molta versatilità in questo approccio, consentendo la fabbricazione di microgel da numerosi materiali, in un’ampia gamma di dimensioni e incorporando componenti biologici (ad es. Cellule, terapie).”

Il team ha utilizzato l’acido ialuronico modificato con norbornene (NorHA), il diacrilato poli (etilenglicole) (PEGDA) e l’agarosio per produrre i propri microgel, che mostrava in modo definitivo i tipi di proprietà reologiche importanti per la stampa 3D, come il comportamento di assottigliamento, elastico risposta a basse tensioni e capacità di fluire durante l’estrusione e stabilizzarsi rapidamente dopo la deposizione. Una stampante 3D Revolution XL modificata è stata utilizzata per fabbricare i microgel in un reticolo a quattro strati.

Le forze meccaniche hanno interrotto le strutture stampate in 3D come previsto, quindi il team ha utilizzato il post-cross-linking per collegare chimicamente le particelle.

“Ad esempio, durante il processo di bloccaggio, sono stati inclusi cross-linker aggiuntivo (ditiotreitolo) e fotoiniziatore (Irgacure 2959) e la luce ultravioletta (UV) ha portato a cross-linking interparticellare a causa della presenza di gruppi di norbornene non reagiti rimanenti. Le strutture reticolari stampate e post-cross-linked potrebbero successivamente essere gestite con una pinza senza perdita apparente nell’integrità strutturale “, hanno detto i ricercatori.
Inoltre, quando le strutture cubiche stampate e post-cross-linked sono state collocate in un mezzo di coltura cellulare, hanno tenuto le loro dimensioni e struttura per un’intera settimana, e i “moduli compressivi dei costrutti stampati” sono stati aumentati introducendo legami interparticellari a post-cross -libreria. Questo è avvenuto ad un valore inferiore rispetto agli idrogel che sono fatti della stessa formulazione usata per fare microgel; se combinati, è possibile stampare in 3D gli inchiostri Microgel “, poiché le proprietà dell’inchiostro inceppato supportano la stampa e la stabilità a breve termine.”

“Riteniamo che la stampa di inchiostri Microgel inceppati offra la possibilità di stampare una vasta gamma di materiali e strutture diversi. Per illustrare questo, abbiamo utilizzato il metodo di stampa gel-in-gel degli inchiostri Microgel in idrogel di supporto per stampare strutture eterogenee “, hanno detto i ricercatori.

“Inoltre, gli inchiostri Microgel sono stati utilizzati per la fabbricazione di microcanali all’interno di idrogel di supporto. Per ottenere ciò, i) inchiostri di microgel su agarosio sono stati estrusi in un idrogel di supporto, ii) l’idrogel di supporto è stato stabilizzato mediante reticolazione covalente e iii) i microgel di agarosio sono stati rimossi mediante dissoluzione con un aumento della temperatura a 37 ° C e in presenza di agarase, lasciando dietro di sé un canale perfusabile all’interno del materiale di supporto stabilizzato. ”
Stampa di inchiostri Microgel NorHA inceppati in diversi modelli all’interno di idrogel di supporto per assottigliamento.
La ricerca mostra che gli inchiostri Microgel possono essere definitivamente usati per stampare strutture eterogenee in 3D senza danneggiare alcuna cellula.

“L’approccio microgel consente il controllo su microambienti cellulari attraverso la progettazione di microgel senza la necessità di additivi che possono interrompere il comportamento delle cellule”, hanno concluso i ricercatori. “Questi materiali esclusivi offrono interessanti possibilità per nuovi approcci alla biofabbricazione e ampliare la disponibilità di inchiostri per la stampa.”
Co-autori del giornale sono Christopher B. Highley, Kwang Hoon Song, Andrew C. Daly e Jason A. Burdick.

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