“Mattoncini ossei” in miniatura stampati in 3d in stile Lego, che sono in grado di curare il tessuto scheletrico

RICERCATORI DELL’OREGON SVILUPPANO “MATTONI OSSEI” CURATIVI STAMPATI IN 3D ISPIRATI ALLA LEGO

I ricercatori dell’Oregon Health & Science University (OHSU) hanno “mattoncini ossei” in miniatura stampati in stile Lego, che sono potenzialmente in grado di curare il tessuto scheletrico rotto.

I minuscoli blocchi cavi dei ricercatori, che hanno solo le dimensioni di una piccola pulce, fungono da impalcature su cui possono ricrescere sia i tessuti duri che quelli molli. Inoltre, la natura impilabile dei moduli consente di collegarli come mattoni giocattolo, offrendo scalabilità insieme a migliaia di potenziali configurazioni geometriche. Alla fine, il team dell’Oregon mira a ridimensionare la tecnologia e ad utilizzare le micro-gabbie per produrre invece organi da laboratorio per il trapianto umano.

“Le nostre impalcature in attesa di brevetto sono facili da usare; può essere accatastato come Legos e collocato in migliaia di configurazioni diverse per adattarsi alla complessità e alle dimensioni di quasi tutte le situazioni “, ha dichiarato Luiz Bertassoni, Ph.D., professore associato di ingegneria biomedica presso la OHSU School of Medicine.

Le biostrutture a scaffold stampati sono diventate un argomento di ricerca sempre più caldo negli ultimi anni, in particolare per applicazioni nell’ambito dell’ingegneria dei tessuti o della medicina rigenerativa. Inoltre, i progressi nella stampa 3D hanno consentito di progettare costrutti impiantabili specifici per il paziente in modo più scalabile e in alcuni casi ora possono persino essere prodotti in loco all’interno degli ospedali. Di conseguenza, l’assemblaggio di questi tessuti complessi non richiede più attrezzature specializzate, che a loro volta riducono i tempi di consegna associati alla produzione dell’impianto.

Tuttavia, lo sviluppo del sistema di impalcature ideale ha ancora dimostrato di essere sfuggente, e rimane uno dei motivi per cui la tecnologia non è stata più ampiamente adottata in ambito ospedaliero. Il supporto tissutale ideale deve essere compatibile con architetture specifiche del difetto, ma consentendo al contempo il carico controllato di cellule, fattori di crescita e idrogel. Inoltre, secondo il team del Colorado, il controllo temporale del tessuto è essenziale per la crescita del tessuto all’interno del materiale innestato.

Convenzionalmente, i chirurghi ortopedici riparano fratture ossee complesse impiantando barre o piastre di metallo nel paziente, al fine di stabilizzare l’osso. È solo più avanti nella procedura che vengono utilizzati materiali per impalcature biocompatibili pieni di polveri o paste per promuovere la guarigione. D’altra parte, il team dell’Oregon ha sviluppato un nuovo sistema di impalcature, che posiziona con precisione blocchi vuoti riempiti con piccole quantità di gel con fattore di crescita, il più vicino possibile a dove sono necessari.

“La tecnologia microcage stampata in 3D migliora la guarigione stimolando il giusto tipo di cellule a crescere nel posto giusto e al momento giusto”, ha spiegato il co-autore dello studio Ramesh Subbiah, Ph.D, studioso post-dottorato nel laboratorio OHSU di Bertassoni. “All’interno di ciascun blocco possono essere inseriti diversi fattori di crescita, che ci consentono di riparare i tessuti in modo più preciso e rapido”.

Le micro-gabbie del team sono vuote all’interno, il che consente loro di essere caricate in modo controllabile con un carico di diverse composizioni di bio-gel e di creare scaffold con spunti istruttivi definiti nello spazio. A riprova del concetto, il team ha stampato in 3D numerosi blocchi carichi di idrogel granulari in microscala contenenti vari fattori di crescita. I risultati hanno mostrato che le cellule erano entrate negli scaffold, in modo rapido e controllabile, accelerando così il processo di formazione e guarigione di nuovi tessuti.

Utilizzando una ceramica fosfato beta-tricalcico e una tecnica di stampa 3D basata sulla litografia Ceramic Manufacturing (LCM), il team ha creato una serie di microcadi miniaturizzati modulari. Il processo ha prodotto blocchi di 3.375 mm 3 , con dimensioni cave di 1,5 × 1,5 × 1,5 mm e uno spessore della parete di 230–560 µm. In sintesi, usando i mattoni campione, i ricercatori sono stati facilmente in grado di produrre varie forme mantenendo un profilo coerente lungo il loro perimetro.

Lavorando con quattro strati di 4 × 4 blocchi, il team dell’Oregon ha calcolato che erano possibili un totale di 29.413 configurazioni, evidenziando il potenziale della tecnologia per impalcature ossee personalizzate per il paziente. Illustrando l’adattabilità del loro metodo per l’uso con altri materiali polimerici rigidi, una serie di altri mattoni sono stati creati utilizzando una resina a base di metacrilato, che viene spesso utilizzata nell’ambito di procedure rigenerative simili.

Al fine di dimostrare il potenziale delle impalcature per applicazioni rigenerative, il team ha utilizzato la stampa 3D Digital Light Processing (DLP) per creare una serie di prodotti sagomati tra cui una geometria simile a un fiore a cinque punte. Diverse combinazioni di fattori di crescita ricombinanti umani sono state quindi caricate manualmente nei moduli all’interno delle varie forme. Dopo l’accatastamento, la resistenza dei blocchi a due strati è stata significativamente ridotta a 13,8 MPa, ma era ancora molto più elevata di quella riportata per l’osso mascellare medio di 3,9 MPa.

Inoltre, ulteriori esperimenti hanno scoperto che i blocchi pieni di fattore di crescita posizionati vicino alle ossa di ratto riparate hanno portato a una crescita di vasi sanguigni circa tre volte superiore rispetto al materiale per ponteggi convenzionale. Di conseguenza, i ricercatori hanno concluso che, sebbene il loro metodo fosse stato ottimizzato per la riparazione dei tessuti duri, il concetto potrebbe essere applicabile ad altre applicazioni di rigenerazione dei tessuti. Con una ricerca significativamente maggiore, il team dell’Oregon ritiene che l’approccio modulare potrebbe essere utilizzato per riparare fratture ossee più complesse in animali più grandi o addirittura per produrre organi per il trapianto umano.

Produzione additiva e riparazione ossea

Il concetto di protesi ossee per bioprinting 3D è già stato esplorato da numerosi ricercatori di istituzioni accademiche di tutto il mondo. I ricercatori dell’Università di Manchester, ad esempio, hanno sviluppato un mattone osseo simile a quello del team dell’Oregon. Il dispositivo è stato creato in risposta alla necessità di cure mediche urgenti nei campi profughi siriani.

I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Delft , nel frattempo, hanno progettato e stampato un impianto di osso di titanio poroso con proprietà antibatteriche. Il comportamento antibatterico sinergico dell’innesto potrebbe dare origine a un nuovo tipo di impianto che sopravvive ai pazienti con una manutenzione minima.

Gli scienziati della Texas A&M University , invece, hanno combinato la stampa 3D, l’ingegneria biomateriale e la biologia delle cellule staminali per creare nuovi innesti ossei facciali più efficienti . Le impalcature altamente osteogeniche non solo facilitano la crescita delle cellule ossee, ma fungono anche da solida piattaforma per la rigenerazione ossea.

Al fine di sviluppare e valutare la tecnologia, il team dell’Oregon ha collaborato con colleghi dell’OHSU, dell’Università dell’Oregon , della New York University e della Mahidol University in Tailandia. I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Stampa 3D di microcage modulari caricati con microgel come impalcature istruttive per l’ingegneria dei tessuti “, pubblicato sulla rivista Advanced Materials.

Il rapporto è stato scritto da Ramesh Subbiah, Christina Hipfinger, Anthony Tahayeri, Avathamsa Athirasala, Sivaporn Horsophonphong, Greeshma Thrivikraman, Cristiane Miranda França, Diana Araujo Cunha, Amin Mansoorifar, Albena Zahariev, James M. Jones, Paulo G.Coel Lukas Witek, Hua Xie, Robert E. Guldberg e Luiz E. Bertasson.

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