Piattaforma di inchiostro universale per nanocarrier per la fabbricazione di additivi per biomateriali da ETHZ Elia A. Guzzi, Giovanni Bovone e Mark W. Tibbitt.

I RICERCATORI DI ZURIGO CREANO UN BIOINK DI SUPPORTO UNIVERSALE PER LA STAMPA 3D

I ricercatori dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo (ETHZ) hanno prodotto una piattaforma di inchiostrazione universale a nanocarrier, che fornisce reologia su misura per la stampa 3D basata su estrusione e facilita la formulazione di inchiostri biofunzionali.

L’inchiostro Universal Nanocarrier (UNI), può essere combinato con una gamma di polimeri secondari funzionali, per consentire la stabilizzazione di costrutti stampati tramite reticolazione secondaria. Le applicazioni dell’esclusiva biofunzionalità personalizzata del materiale comprendono l’ingegneria dei tessuti e la consegna dei farmaci, nonché la rapida formulazione di una vasta gamma di inchiostri funzionali, per la produzione additiva di biomateriali avanzati.

La necessità di un nuovo tipo di inchiostro

Una produzione efficiente che utilizza la stampa 3D richiede spesso che gli inchiostri siano progettati per produrre materiali con proprietà specifiche, come comportamento di assottigliamento, biofunzionalità o reattività degli stimoli. Gli inchiostri devono inoltre essere in grado di soddisfare i vincoli fisici della macchina per cui sono realizzati, come viscosità del materiale, scorrevolezza, velocità di autorigenerazione e cinetica di gelazione necessaria per la macchina. Se viene utilizzato per l’ingegneria dei tessuti, ad esempio, l’inchiostro dovrebbe essere citocompatibile, quindi l’applicazione target della sostanza potrebbe anche introdurre parametri di progettazione aggiuntivi.

La scrittura diretta a inchiostro (DIW), è una tecnica di stampa 3D che viene comunemente utilizzata per la biofabbricazione e funziona mediante estrusione di un inchiostro tramite un pistone, una distribuzione robotizzata pneumatica o avvitata in posizioni definite per fabbricare un costrutto 3D finale. Per essere compatibili con questo metodo di stampa, gli inchiostri devono mostrare un flusso indotto da taglio durante l’estrusione e una rapida riformazione del materiale per mantenere la forma dopo la deposizione. La stabilizzazione della struttura dopo la deposizione è necessaria anche per un uso a lungo termine in vitro e in vivo, e ciò richiede funzionalità aggiuntive per la reticolazione secondaria, per rafforzare la formazione.

Mentre sono stati sviluppati numerosi bioink efficienti, la gamma di materiali per DIW rimane limitata secondo i ricercatori e solo pochi inchiostri attuali sono versatili e sintonizzabili su molteplici usi. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che i nuovi materiali richiedono una progettazione e una formulazione significative, ma gli inchiostri per supporti universali offrono il potenziale per essere compatibili con una vasta gamma di materiali post-indurimento. Tali materiali compatibili possono semplificare notevolmente la progettazione e lo sviluppo di nuovi inchiostri personalizzabili, ei ricercatori hanno deciso di innovare una piattaforma UNI per DIW basata su un assemblaggio ingegnerizzato polimero-nanoparticelle.

La UNI è stata progettata utilizzando materiali generalmente considerati sicuri (GRAS) (PEG-b-PLA NP e HPMC) e con reologia su misura per DIW. La stabilizzazione è stata abilitata combinando la base UNI con una gamma di polimeri secondari funzionali. La fusione del materiale con polimeri diversi ha aumentato la biofunzionalità e ha reso la piattaforma sufficientemente robusta per consentire una DIW efficiente di tutti gli inchiostri compositi. I ricercatori avevano progettato un singolo inchiostro nanocarrier universale che poteva essere combinato con una gamma di polimeri funzionali per molteplici applicazioni biomediche, senza ulteriori progetti chimici o modifiche.

Per dimostrare il potenziale e la versatilità di UNI-15 (una specifica variante di prova del materiale) per funzionare come inchiostro di supporto universale per DIW, sono stati prodotti inchiostri compositi miscelando UNI-15 con vari polimeri secondari. Mentre la piattaforma UNI possedeva un’eccellente reologia per DIW, la sua stabilità a lungo termine era scarsa a causa dei collegamenti transitori e reversibili polimero-nanoparticelle. I ricercatori hanno quindi miscelato UNI-15 con polimeri funzionali che potevano essere reticolati dopo la deposizione, per stabilizzare la post-fabbricazione del costrutto stampato. Combinando un’ampia gamma di polimeri secondari con lo stesso inchiostro nanocarrier, i costrutti stampati potrebbero essere stabilizzati mediante fotopolimerizzazione secondaria di reticolazione, gelazione ionica o gelificazione indotta dalla temperatura.

Per dimostrare che i polimeri secondari non hanno influenzato le proprietà reologiche dell’inchiostro di supporto universale, sono stati eseguiti gli stessi test reometrici su quattro dei materiali compositi contenenti UNI-15 e il corrispondente polimero secondario. L’aggiunta del polimero secondario non ha inibito la formazione di un gel viscoelastico, poiché tutti gli inchiostri testati e le reti fisiche transitorie sono state in grado di riformare ≈75% in meno di 60 anni. Per le applicazioni di ingegneria dei tessuti e di rilascio dei farmaci, la stabilità post-fabbricazione dei costrutti stampati è necessaria per il mantenimento della forma e la funzionalità a lungo termine, e ciò è stato reso possibile dalla reticolazione secondaria degli inchiostri compositi.

I ricercatori hanno concluso che la loro piattaforma UNI ha semplificato con successo l’ingegneria dell’inchiostro e rappresenta un metodo semplice e versatile per sviluppare nuovi biomateriali e bioink per la stampa 3D. Il team ha sottolineato che tutti i suoi componenti erano necessari per il funzionamento del processo, poiché ciascuno comprende liquidi viscosi e non fornisce reologia adeguata per DIW, né stabilità tramite reticolazione secondaria. Tuttavia, utilizzando questo approccio, diverse formulazioni di inchiostro sono state progettate specificamente per l’ingegneria dei tessuti e le applicazioni di consegna dei farmaci. La nuova norma UNI ha dimostrato la sua capacità di semplificare la produzione della futura stampa 3D di biomateriali complessi, nella medicina di precisione.

I ricercatori di diverse istituzioni hanno tentato di perfezionare la tecnologia del bioink, con l’intenzione di utilizzare i materiali per applicazioni medicinali.

I ricercatori della Texas A&M University hanno annunciato di aver sviluppato il proprio bioink stampabile in 3D nel febbraio 2020. Conosciuto come nanoengineered Ionic – Covalent Entanglement (NICE), il materiale è stato progettato per superare le carenze strutturali di stabilità dei bioink attuali.

Gli ingegneri biomedici della Rutgers University nel New Jersey hanno sviluppato un bioink a novembre 2019, progettato per supportare la crescita dei tessuti umani . I ricercatori hanno utilizzato versioni modificate di acido ialuronico e polietilenglicole per formare un gel forte adatto all’uso come impalcatura, che potrebbe essere regolato in base alla miscela di inchiostro utilizzata.

I ricercatori della Northwestern University e dell’Ospedale per bambini Ann & Robert H. Lurie di Chicago hanno sviluppato un bioink per la stampa 3D di ovaie bioprotesiche nel dicembre 2019. Le ovaie sono state prodotte in modo da poter essere impiantate in donne sterili, permettendo loro di avere figli.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Piattaforma di inchiostro universale per nanocarrier per la fabbricazione di additivi per biomateriali “, pubblicato il 25 novembre 2020 sulla rivista Nano Micro Small . La ricerca è stata scritta da Elia A. Guzzi, Giovanni Bovone e Mark W. Tibbitt.

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