Stampa 3D a scrittura diretta e caratterizzazione di un biomateriale basato su GelMA per l’ingegneria dei tessuti intracorporei

GLI SCIENZIATI STUDIANO DIRETTAMENTE I TESSUTI DI STAMPA 3D ALL’INTERNO DEL CORPO USANDO LA ROBOTICA

Un gruppo di ricercatori del Terasaki Institute for Biomedical Innovation , Ohio State University e Pennsylvania State University hanno sviluppato un bio-inchiostro appositamente formulato progettato per il tessuto di bioprinting 3D direttamente nel corpo.

Il team ha avviato il progetto al fine di superare gli svantaggi delle procedure di ingegneria dei tessuti in vitro, che comportano maggiori rischi per i pazienti, con potenziali ulteriori complicazioni post-impianto.

Invocando ulteriormente le immagini simili a Westworld , i ricercatori propongono che la formula del bio-inchiostro per costruire il tessuto possa essere applicata tramite la tecnologia di stampa 3D robotizzata diretta all’interno del corpo stesso. Potenziali applicazioni per il bioink e la tecnica di stampa 3D, spiegano il team, risiedono nelle maglie di riparazione dell’ernia biofunzionale, nel miglioramento delle funzioni delle ovaie, nella stampa 3D di scaffold carichi di cellule complesse per ripristinare la funzione dei tessuti / organi e la consegna di farmaci o crescita biomateriali legati al fattore.

“Lo sviluppo di tessuti personalizzati in grado di affrontare varie lesioni e disturbi è molto importante per il futuro della medicina”, commenta Ali Khademhosseini, autore dello studio.

“IL LAVORO PRESENTATO QUI AFFRONTA UN’IMPORTANTE SFIDA NEL PRODURRE QUESTI TESSUTI, IN QUANTO CI CONSENTE DI CONSEGNARE LE CELLULE E I MATERIALI GIUSTI DIRETTAMENTE AL DIFETTO NELLA SALA OPERATORIA.”

Immagine di una struttura reticolare 3D di un tessuto impiantato direttamente su un tessuto molle vivo. Foto tramite l’Istituto Terasaki.
Immagine di una struttura reticolare 3D di un tessuto impiantato direttamente su un tessuto molle vivo. Foto tramite l’Istituto Terasaki.
Metodi di ingegneria dei tessuti nella stampa 3D

I ricercatori iniziano spiegando l’attuale paradigma per l’ingegneria dei tessuti, che si concentra sulla produzione di ponteggi biomateriali all’esterno del corpo, che viene poi impiantato tramite un intervento chirurgico aperto.

Con la stampa 3D che gioca un ruolo crescente nella medicina e nelle procedure chirurgiche, questa condizione in vitro si è applicata anche ai diversi modi in cui la stampa 3D viene utilizzata nel settore medico. Ad esempio, la stampa 3D è stata utilizzata per produrre parti del corpo come articolazioni ortopediche e protesi , che vengono attaccate al corpo dopo che sono state fabbricate. Numerosi esempi evidenziano i vantaggi che la stampa 3D porta alle procedure ortopediche; l’anno scorso, Robert Smith, un lavoratore siderurgico di San Pietroburgo, in Florida, è diventato il primo a ricevere un impianto osseo stampato in 3D negli Stati Uniti, dove l’operazione sarebbe stata troppo complicata.


Secondo l’Istituto Terasaki, la stampa 3D può anche essere utilizzata per produrre e ripristinare porzioni di ossa, pelle e vasi sanguigni, che sono spesso create in un apparato esterno al corpo e impiantate chirurgicamente .

Tuttavia, il metodo in vitro di impianto chirurgico comporta spesso la realizzazione di grandi incisioni chirurgiche, ponendo il rischio aggiuntivo di infezione e aumentando i tempi di recupero per il paziente. Inoltre, vi è un intervallo di tempo tra la creazione del tessuto e il momento in cui viene impiantato nel paziente, il che può causare ulteriori complicazioni. Per prevenire queste complicazioni, il gruppo di ricercatori ha cercato di sviluppare una tecnologia per i tessuti di stampa 3D direttamente nel corpo.

Stampa 3D del tessuto in vivo

Per produrre tessuto ingegnerizzato, sono necessari due componenti di base: un bioink costituito da un materiale di struttura miscelato con cellule viventi e fattori di crescita per aiutare le cellule a crescere e svilupparsi in tessuto rigenerato.

Lo sviluppo di tessuti per l’impianto diretto nel corpo richiede ulteriori considerazioni, tra cui la costruzione di tessuto a temperatura corporea (37 ° C) e l’identificazione di un metodo per attaccare efficacemente il tessuto a tessuti di organi vivi molli. Inoltre, eventuali passaggi procedurali non dovrebbero essere dannosi per il paziente, tuttavia uno di questi passaggi dannosi nei metodi attuali è l’applicazione della luce UV dannosa necessaria per solidificare il tessuto costruito. Ali Asghari, primo autore dello studio, spiega che “Questa formulazione di bio-inchiostro è stampabile in 3D a temperatura fisiologica e può essere reticolata in modo sicuro usando la luce visibile all’interno del corpo”.

Invece, al fine di costruire il tessuto, i ricercatori hanno identificato l’uso della stampa robotica 3D, che utilizza macchinari robotici fissati con un ugello. Il bio-inchiostro può quindi essere erogato attraverso l’ugello, in modo altamente preciso e programmabile.

Concetto di ingegneria dei tessuti intracorporei. Foto tramite biofabbricazione.
Testando la tecnologia di stampa 3D e il bioink, i ricercatori hanno lavorato su metodi per attaccare pezzi di tessuto formati con questo bio-inchiostro su superfici morbide. Questi esperimenti includevano il fissaggio di strutture di tessuto su pezzi di strisce di pollo crudo usando la stampante 3D robotizzata e il bio-inchiostro appositamente formulato, sviluppando anche un nuovo meccanismo di interblocco.

Il team di ricerca ha modificato la punta dell’ugello in modo da poter penetrare nella superficie morbida del pollo crudo e riempire lo spazio forato con bio-inchiostro mentre si ritirava. Ciò ha contribuito a stabilire un’ancora per la struttura del tessuto. Quando la punta dell’ugello raggiunse la superficie, erogò un’ulteriore goccia di bio-inchiostro per “bloccare” l’ancora. “Il meccanismo di interblocco consente attacchi più forti delle impalcature al substrato dei tessuti molli all’interno del corpo del paziente”, commenta Asghari Adib.

Il documento conclude che un biomateriale che può essere stampato in 3D in condizioni fisiologicamente rilevanti e sicure è un componente necessario per l’ingegneria dei tessuti intracorporei tramite la stampa 3D a scrittura diretta. “In questo studio, introducendo modificatori reologici in GelMA, abbiamo sviluppato una formulazione che era stampabile in 3D in forme complesse a 37 ° C e che poteva essere reticolata in situ utilizzando un sistema di reticolazione della luce visibile e sicuro.”

Tali progressi nell’ingegneria dei tessuti sono fondamentali nel fornire opzioni laparoscopiche a rischio ridotto e minimamente invasive per le procedure di riparazione dei tessuti. Ciò migliorerebbe la sicurezza del paziente, oltre a risparmiare tempo ed essere più conveniente. Ulteriori modifiche nella progettazione dell’ingegneria dei tessuti e l’adeguamento di altre condizioni possono aumentare il potenziale di personalizzazione.

L’articolo, ” Stampa 3D a scrittura diretta e caratterizzazione di un biomateriale basato su GelMA per l’ingegneria dei tessuti intracorporei “, è scritto da Ali Khademhosseini, Ph.D., David J Hoelzle, Ph.D., Amir Sheikhi, Ph.D. , Melika Shahhosseini, Andrej Simeunovic, Ph.D., Shuai Wu, Carlos Castro, Ph.D. e Ruike Zhao, Ph.D. È pubblicato in Biofabrication .

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