Un gruppo di ricerca dell’Università di Tel Aviv ha sviluppato un materiale per la stampa 3D biologica progettato per rispondere a tre esigenze difficili da conciliare: mantenere la forma dopo l’estrusione, offrire alle cellule una superficie favorevole all’adesione e contrastare la proliferazione batterica.
Lo studio è stato condotto nel gruppo della professoressa Lihi Adler-Abramovich presso la Goldschleger School of Dental Medicine della Gray Faculty of Medical and Health Sciences. Il lavoro è stato guidato da Mor Tsuriano-Zernichov e Francesca Netti, con la partecipazione di Sigal Rencus-Lazar e Moran Aviv.
Alle attività hanno contribuito anche il Jan Koum Center for Nanoscience and Nanotechnology, il Center for the Physics and Chemistry of Living Systems dell’Università di Tel Aviv e l’Afeka Tel Aviv Academic College of Engineering. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Advanced Functional Materials, edita da Wiley-VCH GmbH.
Il difficile equilibrio richiesto a un bioinchiostro
Nella stampa 3D per l’ingegneria dei tessuti, il materiale deve soddisfare requisiti che possono entrare in contrasto. Durante il passaggio attraverso l’ugello deve scorrere senza richiedere pressioni eccessive, ma una volta depositato deve recuperare consistenza e sostenere gli strati successivi.
Un materiale troppo fluido produce filamenti che si allargano sulla superficie di stampa, riducendo la precisione delle geometrie. Un materiale troppo viscoso può invece essere difficile da estrudere, sottoporre le cellule a elevate sollecitazioni meccaniche o causare discontinuità nel filamento.
La stabilità geometrica rappresenta soltanto una parte del problema. Per svolgere una funzione biologica, la struttura stampata deve anche creare un ambiente nel quale le cellule possano aderire, distribuirsi e mantenere la propria vitalità. Molti idrogel possiedono caratteristiche favorevoli alla stampa, ma non presentano segnali molecolari sufficienti per guidare l’interazione con le cellule.
A questa difficoltà si aggiunge il rischio di contaminazione batterica. Le strutture destinate a entrare in contatto con tessuti, fluidi biologici o ferite possono offrire superfici sulle quali i microrganismi riescono ad aderire e moltiplicarsi. Integrare una funzione antibatterica direttamente nel materiale potrebbe ridurre la dipendenza da rivestimenti applicati dopo la stampa.
Una matrice formata da alginato e nanofibrille di cellulosa
La formulazione elaborata dai ricercatori utilizza una matrice composta da alginato e nanofibrille di cellulosa. L’alginato è un polisaccaride impiegato nella preparazione di idrogel perché può trattenere grandi quantità d’acqua e formare strutture compatibili con condizioni di lavorazione moderate.
L’alginato non offre però, da solo, un ambiente ideale per l’adesione cellulare. Le cellule devono riconoscere sulla superficie specifiche sequenze molecolari attraverso i propri recettori. In assenza di questi punti di interazione, possono aderire con difficoltà, assumere una morfologia non adeguata o non colonizzare in modo uniforme la struttura.
Le nanofibrille di cellulosa svolgono una funzione strutturale. La loro forma allungata permette di creare una rete interna capace di aumentare la consistenza del materiale e di modificarne il comportamento durante l’estrusione. Quando il bioinchiostro viene spinto attraverso l’ugello, le fibrille possono orientarsi lungo la direzione del flusso; dopo la deposizione, la rete contribuisce al recupero della struttura.
Questa risposta è associata al comportamento definito “shear thinning”: la viscosità diminuisce quando il materiale è sottoposto alle forze di taglio generate nell’ugello e aumenta dopo l’estrusione. Il fenomeno facilita il deposito di filamenti continui e aiuta gli strati a conservare la geometria programmata.
Due peptidi con funzioni differenti
L’elemento caratterizzante del bioinchiostro è la co-assemblazione di due peptidi funzionali all’interno della matrice di alginato e nanofibrille di cellulosa.
Il primo è Fmoc-K(Fmoc)-RGD, un peptide che comprende la sequenza arginina-glicina-acido aspartico, indicata con la sigla RGD. Questo motivo molecolare è presente in diverse proteine della matrice extracellulare e può essere riconosciuto dalle integrine, recettori situati sulla membrana delle cellule.
La presenza della sequenza RGD fornisce quindi punti di ancoraggio che migliorano l’interazione tra le cellule e il materiale. Non si tratta semplicemente di trattenere fisicamente le cellule: il legame con le integrine partecipa a processi che influenzano adesione, organizzazione del citoscheletro e risposta all’ambiente circostante.
Il secondo componente è Fmoc-F5-Phe, un peptide contenente pentafluorofenilalanina al quale è attribuita la funzione antibatterica. I ricercatori lo hanno inserito nella rete per associare una protezione biologica alle proprietà strutturali e adesive del bioinchiostro.
I due peptidi non sono stati aggiunti come componenti indipendenti privi di organizzazione. Attraverso interazioni supramolecolari, le molecole si autoassemblano in strutture fibrillari e partecipano alla formazione di una rete gerarchica. Questa organizzazione collega la scala molecolare alle proprietà macroscopiche richieste dalla stampa.
Dalla co-assemblazione alla precisione del filamento
Le analisi reologiche hanno mostrato che il sistema possiede un marcato comportamento shear thinning e recupera in tempi brevi la propria consistenza dopo l’estrusione. Queste caratteristiche hanno permesso di stampare strutture tridimensionali con buona continuità dei filamenti e capacità di conservare la forma.
La fedeltà del filamento è importante perché determina quanto la struttura reale corrisponda al modello digitale. Nell’ingegneria dei tessuti, una variazione nello spessore delle linee può modificare la dimensione dei pori, la diffusione di ossigeno e nutrienti e lo spazio disponibile per la colonizzazione cellulare.
Anche la stabilità degli strati è essenziale. Se il materiale non recupera una consistenza sufficiente dopo il deposito, la parte inferiore della struttura può deformarsi sotto il peso degli strati superiori. La geometria risultante perde così la porosità e l’organizzazione previste in fase di progettazione.
Secondo lo studio, l’assemblaggio dei peptidi rinforza la matrice composita e permette di regolare le sue proprietà meccaniche. Il materiale non viene quindi considerato come una semplice miscela, ma come una rete nella quale alginato, nanofibrille di cellulosa e strutture peptidiche collaborano alla risposta complessiva.
Adesione cellulare integrata nel materiale
Le prove biologiche hanno indicato un’elevata citocompatibilità e una migliore adesione cellulare. Il risultato suggerisce che l’inserimento del peptide con sequenza RGD riesca a compensare uno dei limiti biologici dell’alginato non modificato.
Per un’impalcatura destinata all’ingegneria tissutale, l’adesione costituisce una delle prime fasi dell’interazione con le cellule. Dopo essersi ancorate, le cellule devono poter distendersi, comunicare con la matrice e, in base al tipo cellulare e all’applicazione, proliferare o differenziarsi.
Una buona risposta osservata in laboratorio non dimostra però che il materiale sia già pronto per l’impiego clinico. Sarà necessario valutare il comportamento con più tipi cellulari, la stabilità in condizioni fisiologiche, l’eventuale degradazione dei componenti e la risposta infiammatoria.
Occorrerà inoltre determinare se le proprietà adesive rimangano uniformi in strutture di dimensioni maggiori e dopo periodi di coltura prolungati. Il passaggio da piccoli campioni sperimentali a impalcature più voluminose introduce problemi legati alla diffusione dei nutrienti, all’eliminazione dei prodotti di scarto e alla vascolarizzazione.
Attività antibatterica verificata contro Escherichia coli
Il bioinchiostro ha mostrato un’attività antibatterica dipendente dalla concentrazione nei confronti di Escherichia coli. Il dato indica che l’effetto aumenta o cambia in funzione della quantità di componente antibatterico presente nella formulazione.
Questa precisazione è importante: il risultato non equivale a una protezione universale contro tutti i microrganismi. Escherichia coli è un batterio Gram-negativo utilizzato in numerosi studi di laboratorio, ma materiali destinati a dispositivi medici o all’ingegneria dei tessuti dovrebbero essere valutati anche contro batteri Gram-positivi e ceppi associati alle infezioni cliniche.
Tra gli organismi da considerare nelle fasi successive potrebbero rientrare Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis, coinvolti nella colonizzazione di ferite, impianti e superfici medicali. Sarebbe inoltre necessario verificare la capacità del materiale di limitare la formazione di biofilm, che presenta caratteristiche diverse dalla semplice crescita di batteri in sospensione.
Un’altra questione riguarda l’equilibrio tra attività antibatterica e compatibilità cellulare. Una concentrazione più elevata del peptide potrebbe aumentare l’effetto sui batteri, ma deve conservare un margine di sicurezza adeguato per le cellule dei tessuti. La formulazione finale dovrà quindi essere ottimizzata in relazione all’applicazione prevista.
Una struttura che non si limita a sostenere le cellule
Il lavoro dell’Università di Tel Aviv si inserisce in una linea di ricerca che considera le strutture stampate come materiali funzionali, non come supporti passivi. In questa prospettiva, il bioinchiostro deve partecipare al comportamento biologico della costruzione attraverso segnali adesivi, proprietà antibatteriche o altre funzioni integrate.
Lo stesso gruppo della professoressa Lihi Adler-Abramovich ha lavorato su bioinchiostri privi di componenti di origine animale basati su peptidi autoassemblanti e nanofibrille di cellulosa. In uno studio collegato, una formulazione xeno-free ha mantenuto una vitalità cellulare superiore al 95% senza richiedere una reticolazione chimica tradizionale.
La nuova ricerca amplia questo approccio introducendo due funzioni biologiche distinte nella stessa rete: favorire l’adesione cellulare e contrastare la crescita batterica. La co-assemblazione diventa così uno strumento per programmare le caratteristiche del materiale a partire dalla struttura molecolare.
Le possibili applicazioni nell’ingegneria dei tessuti
Il bioinchiostro potrebbe essere studiato per la produzione di scaffold destinati alla rigenerazione di tessuti, modelli tridimensionali per la ricerca farmacologica e piattaforme sulle quali analizzare l’interazione tra cellule, biomateriali e batteri.
L’attività antibatterica potrebbe risultare utile per strutture destinate a operare in ambienti esposti alla contaminazione. L’adesione cellulare integrata potrebbe invece ridurre la necessità di trattamenti superficiali aggiuntivi e rendere più uniforme la distribuzione delle cellule.
Prima di un’applicazione medica saranno richieste verifiche sulla sterilizzazione, sulla conservazione, sulla riproducibilità dei lotti e sulla compatibilità con differenti sistemi di stampa. Dovranno essere definite anche le modalità di reticolazione e stabilizzazione della struttura nelle condizioni fisiologiche.
Ulteriori studi dovranno esaminare degradazione, prodotti rilasciati, risposta immunitaria e comportamento in vivo. Se la struttura fosse impiegata come supporto temporaneo, la velocità di degradazione dovrebbe essere coordinata con la formazione del nuovo tessuto. Se fosse destinata a rimanere più a lungo, diventerebbero centrali la stabilità e l’assenza di effetti indesiderati.
Il contributo principale della ricerca risiede quindi nella strategia di progettazione: partire da componenti molecolari con compiti specifici e organizzarli in una rete capace di mantenere precisione geometrica, sostenere l’interazione con le cellule e limitare la crescita batterica. È un passaggio verso bioinchiostri nei quali forma e funzione biologica vengono sviluppate nello stesso materiale.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).
