I ricercatori della Lehigh University in Pennsylvania hanno presentato una nuova piattaforma di stampa 3D che consente la rigenerazione di più tessuti utilizzando scaffold funzionalizzati spazialmente.
Lesley Chow, assistente professore di scienze dei materiali, ingegneria e bioingegneria presso Lehigh, e il suo team presso il Chow Lab , hanno pubblicato un documento in cui si spiegano come la stampa 3D di scaffalature biomateriali altamente organizzate può essere utilizzata per rigenerare due diversi tessuti. I vantaggi del loro metodo includono l’aiuto della cartilagine articolare, che esiste dove le ossa si incontrano alle articolazioni, imitando la rigenerazione funzionale di altri tessuti. Ciò potrebbe rivelarsi utile nel trattamento dell’osteoartrosi, una condizione in cui la cartilagine danneggiata può causare dolori e rigidità alle articolazioni.
“La nostra piattaforma è progettata per controllare realmente il modo in cui le cellule si dispongono da sole”, spiega Chow. “È come costruire una casa e poi vedere quale casa piace alle celle. E abbiamo scoperto che le cellule se ne accorgono davvero. Notano i due diversi spunti. Notano se gli spunti sono organizzati o meno. “
“RITENIAMO CHE CIÒ RAPPRESENTI UNA PIATTAFORMA VERSATILE PER GENERARE BIOMATERIALI MULTIFUNZIONALI IN GRADO DI IMITARE L’ORGANIZZAZIONE BIOCHIMICA PRESENTE NEI TESSUTI NATIVI PER SUPPORTARE LA RIGENERAZIONE FUNZIONALE.”
A differenza di alcuni tessuti, la cartilagine non è in grado di rigenerarsi poiché manca i vasi sanguigni per consentire un tale processo. La degenerazione della cartilagine, che è accelerata da lesioni, porta quindi all’osteoartrite. La chiave per trattare la condizione è una considerazione dei tessuti ossei e cartilaginei che operano insieme. “L’intervento medico è l’unico modo per rigenerare il tessuto osteocondrale”, spiega Chow. “Per rigenerare con successo questa cartilagine e renderla funzionale, dobbiamo considerare il fatto che la funzione è correlata sia alla cartilagine che all’osso. Se la cartilagine non ha una buona ancora, è inutile “
“POTRESTI RIGENERARE LA BELLA CARTILAGINE, MA NON DURERÀ SE NON È ANCORATA A QUELL’OSSO IMMEDIATAMENTE SOTTO DI ESSA.”
Tuttavia, creare un organo composto da due diversi tessuti (osso e cartilagine) è un compito difficile e rappresenta un’enorme sfida ingegneristica. Nel tentativo di affrontare la sfida, Lehigh’s Chow Lab, un team di laureati e laureandi di ricerca guidato da Chow, ha utilizzato la stampa 3D per fabbricare scaffold con indizi spazialmente organizzati, consentendo il controllo locale del comportamento cellulare all’interno di un materiale. Le impalcature possono quindi essere utilizzate per rigenerare due diversi tessuti, come quelli che si trovano nell’interfaccia osteocondrale (osso-cartilagine).
Le impalcature sono utilizzate nell’ingegneria dei tessuti per fornire supporto strutturale alle cellule, oltre a fornire segnali chimici che indirizzano le cellule verso la formazione del tessuto o che diventano un diverso tipo di cellula. Impiegati nelle prime fasi della rigenerazione dei tessuti, i ponteggi sono destinati ad essere impiantati all’interno del corpo, dove poi si degraderanno come nuove forme di tessuto. Utilizzando la sua piattaforma di stampa 3D, il laboratorio di Chow è stato in grado di creare impalcature fatte di polimeri biodegradabili.
Le impalcature sono state biofabbricate utilizzando una stampante 3D a getto di solvente, che è un metodo di stampa 3D che crea microstrutture depositando un inchiostro liquido su un substrato, strato per strato. Il solvente evapora rapidamente dopo l’estrusione dall’ugello di deposizione, lasciando una solida fibra polimerica stampata in 3D, in questo caso l’impalcatura.
Per consentire la crescita dei tessuti utilizzando gli scaffold, il team di Chow ha inserito polimeri “funzionalizzati” all’interno degli inchiostri, che sono stampati in 3D per controllare la deposizione spaziale di diverse chimiche e architetture bioattive all’interno dello stesso costrutto. Hanno preparato gli inchiostri usando una miscela di polimeri biodegradabili e modificati con peptidi. I peptidi sono composti da aminoacidi e sono la fonte dei segnali bioattivi che consentono il controllo del comportamento cellulare. Ciò consente al Chow Lab di replicare le composizioni e le strutture dei tessuti nativi, guidando quindi il comportamento delle cellule verso la crescita dei tessuti.
“Sappiamo dalla letteratura e dalla natura quali sequenze di aminoacidi vogliamo”, aggiunge Chow. “Possiamo prendere un segmento che sappiamo gioca un ruolo specifico e importante nel dire alle cellule di far crescere nuovi tessuti e, in un certo senso, rubare dalla natura. Prendiamo un peptide e lo fissiamo su un polimero e lo aggiungiamo mentre stiamo costruendo i nostri scaffold. ”
“UTILIZZIAMO LA STAMPA 3D COME MODO PER CONTROLLARE L’ORGANIZZAZIONE DI QUESTI POLIMERI FUNZIONALIZZATI CON PEPTIDI E L’ARCHITETTURA DELL’IMPALCATURA.”
Una volta che i ponteggi sono stati stampati in 3D, vengono impiantati con cellule che possono essere “ingannate” dai peptidi per diventare un diverso tipo di cellula. Chow spiega che nella stampante 3D possono essere caricati diversi inchiostri per modificare le proprietà dell’impalcatura, come la modifica della concentrazione di peptidi.
Paula Camacho, uno degli studenti laureati del team Chow Lab, sta attualmente conducendo un progetto che applica la piattaforma di biofabbricazione 3D per impalcature per progettare la formazione del tessuto osteocondrale. I ponteggi seminati su cellule vengono coltivati in un’incubatrice a temperatura corporea con anidride carbonica al 5%, al fine di imitare le condizioni all’interno del corpo umano. Camacho e i suoi colleghi valutano quindi i tipi di tessuto che si forma e il comportamento delle cellule. Anche se sono in corso vari altri progetti utilizzando la piattaforma di stampa 3D, l’obiettivo finale per il team di Chow Lab è quello di estenderne l’utilizzo per altri ricercatori e contribuire a far avanzare il campo.
Vari altri progetti di ricerca che si occupano anche della crescita e della rigenerazione dei tessuti con la stampa 3D sono stati intrapresi da varie istituzioni. Ad esempio, recentemente ricercatori dell’Università di Birmingham hanno sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D per materiali morbidi che potrebbe consentire la produzione di tessuti molli delicati, strutture di tessuti molli complessi e tessuti interfacciati.
Un team dell’Università Medical Center (UMC) di Utrecht e École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Svizzera, ha anche sviluppato un processo volumetrico di bioprinting 3D ispirato alla proiezione della luce visibile che crea strutture tissutali a forma libera.
” La stampa 3D con coniugati polimero peptidico per la fabbricazione in un’unica fase di scaffold funzionalizzati spazialmente ” è pubblicata su Biomaterials Science . È co-autore di Paula Camacho, Hafiz Busari, Kelly Seims, Peter Schwarzenberg, Hannah L. Dailey e Lesley Chow.
