Uso della simulazione per valutare l’efficacia delle bio-stampanti in 3D
Sono state completate numerose ricerche riguardanti i diversi materiali che utilizziamo per creare parti biomediche. Molti bioink innovativi – biomateriali caricati con celle per stampare strutture biologiche in 3D – sono stati sviluppati per scopi di biostampa 3D , da materiali come cellule staminali , gelatina di idrogele persino residui di canna da zucchero . Lo stesso bioprinting 3D sta cambiando il campo della medicina così come la conosciamo, perché ora possiamo fabbricare tessuti umani specifici per il paziente in un ambiente di laboratorio.
Tuttavia, questa tecnologia funziona solo se ricercatori e medici hanno buoni bioink a portata di mano … e come sappiamo che i materiali sono buoni? È costoso, difficile e può richiedere molto tempo per valutare se questi bioink sono stampabili in 3D. Ecco perché molti ricercatori, come una squadra del Wallenberg Wood Science Center ( WWSC ) in Svezia, stanno iniziando a fare sempre più affidamento sulle simulazioni al computer per ottimizzare questi biomateriali.
Kajsa Markstedt , studentessa di dottorato in chimica e ingegneria chimica e tecnologia dei biopolimeri presso WWSC, ei suoi colleghi hanno recentemente collaborato con il team di progettazione e progettazione computazionale di Johan Göhl presso il Fraunhofer Chalmers Center (FCC) per testare un processo per l’utilizzo di una fluidodinamica computazionale strumento per modellare il modo in cui vengono erogati i bioink.
“Oltre a consentirci di valutare la stampabilità di un bioink, le simulazioni potrebbero anche aiutarci a scegliere la tecnica di stampa da utilizzare a seconda del tessuto target. Tali tecniche variano a seconda della viscosità e della natura dell’inchiostro che viene stampato, e comprendono la stampa a getto d’inchiostro, il trasferimento in avanti indotto dal laser, la bioprinting basato su estrusione e microvalvola “, ha affermato Markstedt.
“Per modellare come viene erogato un bioink, abbiamo usato la sua portata e densità di massa come input nei nostri calcoli. Questi parametri sono quelli più comunemente valutati in esperimenti quando si stampano disegni come linee, griglie o cilindri. ”
Il team ha pubblicato un articolo, intitolato ” Simulazioni di bioprinting 3D: previsione della bioprintabilità degli inchiostri nanofibrillari “, nella rivista Biofabrication ; i coautori includono Göhl, Markstedt, Andreas Mark, Karl Håkansson, Paul Gatenholm e Fredrik Edelvik.
L’abstract dice: “Per soddisfare le molteplici esigenze di un bioink, una vasta gamma di materiali e composizione bioink sono in fase di sviluppo e valutazione per quanto riguarda la vitalità cellulare, le prestazioni meccaniche e la stampabilità. È essenziale che la stampabilità e la fedeltà di stampa non siano trascurate poiché il fallimento nella stampa dell’architettura mirata può essere catastrofico per la sopravvivenza delle celle e di conseguenza per la funzione del tessuto stampato. Tuttavia, la valutazione sperimentale della stampabilità dei bio-adesivi richiede molto tempo e deve essere mantenuta al minimo, specialmente quando il bioprinting 3D viene eseguito con cellule preziose e costose. Questo documento dimostra come la valutazione sperimentale possa essere integrata con simulazioni basate su computer per valutare i bioink di recente sviluppo. Qui, è stato utilizzato uno strumento di simulazione fluidodinamica computazionale per studiare l’influenza di diversi parametri di stampa e valutare la prevedibilità del processo di stampa. Sulla base dei dati provenienti dalle misurazioni della frequenza di oscillazione dei bioink valutati, è stato utilizzato un modello di reologia a stress completo, in cui è stato rilevato il comportamento viscoelastico del materiale. ”
Confronto visivo tra (L) foto della struttura a griglia stampata e simulazione (R) della struttura reticolare stampata quando si usa inchiostro al 4% CNF.
Secondo Markstedt, la stampabilità 3D di un bioink è spesso determinata dal rapporto tra larghezza della linea e diametro dell’ugello di una stampante 3D, la curvatura delle linee stampate in 3D e quanti strati possono essere stampati prima del collasso della struttura. Gli scienziati della FCC hanno anche utilizzato un modello di angolo di contatto dinamico, che utilizza la tensione superficiale e un angolo di contatto come input, per la bagnabilità dei bioink su un substrato.
“Nelle nostre simulazioni, abbiamo anche utilizzato il percorso di stampa di una struttura a griglia come input”, ha affermato Markstedt.
Il modello completo di reologia si basava sul comportamento viscoelastico del materiale e sui dati della frequenza di oscillazione dell’inchiostro ottenuti negli esperimenti del team. Per i bioinks di cellulosa nanofibrill (CNF) con differenti proprietà reologiche, le simulazioni hanno prodotto risultati simili ai risultati sperimentali nelle valutazioni di laboratorio. Inoltre, i ricercatori potrebbero utilizzare il modello del computer per seguire il processo di stampa 3D in tempo reale e studiare il comportamento di vari inchiostri durante l’erogazione.
Markstedt ha dichiarato: “Nelle valutazioni sperimentali, spesso abbiamo solo le proprietà della struttura finale della griglia stampata per andare avanti. Questo è un modo che richiede molto tempo per sviluppare nuovi bioink o per ottimizzare i parametri di stampa per un inchiostro specifico. È anche costoso dal momento che il bioink preparato contenente cellule è prezioso. ”
È anche importante testare la biostruttura subito dopo che è stata stampata in 3D, perché le cellule sono ancora vitali in quel punto; questo limita la durata delle valutazioni.
“Questo spesso porta a stampare molti bioink su parametri di stampa che non sono stati ottimizzati per una composizione bioink specifica. Il risultato è che non viene prodotta l’architettura giusta, che può essere catastrofica perché il tessuto stampato non funziona correttamente “, ha affermato Markstedt. “Ad esempio, la linea stampata potrebbe essere troppo sottile causando la rottura della struttura, o troppo spesso, che impedisce ai nutrienti e all’ossigeno di raggiungere tutte le cellule del bioink”.
Confronto della distribuzione di tensioni viscoelastiche in linee stampate con inchiostro al 4% CNF e inchiostro 6040 a 0,3, 0,4 e $ 0,5 \, \ mathrm {mm} $ distanza tra ugello e piastra.
I ricercatori sono abbastanza certi che il loro nuovo strumento di simulazione sarà in grado di fornire loro molto più feedback durante la stampa 3D, come il modo in cui gli stress viscoelastici e di taglio sono distribuiti nell’inchiostro, mentre ancora superano tutti questi problemi.
Markstedt ha dichiarato: “Ciò fornisce una migliore comprensione del motivo per cui determinate impostazioni della stampante e bioink funzionano meglio di altri. Ad esempio, ci consente di isolare i singoli parametri, come la velocità di stampa, l’altezza dell’ugello della stampante, la velocità di flusso dell’inchiostro e il percorso di stampa per studiare in che modo influenzano la stampa. ”
Il team ora lavorerà alla modellazione del flusso di bioink all’interno delle geometrie degli ugelli che sono predefinite.
“Questa aggiunta al modello ci consentirà di osservare quale effetto hanno gli sforzi di taglio dell’ugello sul processo di stampa. Questo ci aiuterà a determinare in che modo le diverse pressioni di stampa e le forme degli ugelli influenzano la bioprintabilità di un bioink “, ha spiegato Göhl.
