I ricercatori di NCSU e UNC hanno creato una stampante 3D per fibre biomediche
Sono passate 10 settimane dall’inizio della stagione NFL 2019 e già decine di giocatori hanno riportato lesioni ai tessuti molli. Il grande ricevitore dell’Arizona Cardinals Christian Kirk si sta riprendendo da una distorsione alla caviglia mentre TY Hilton degli Indianapolis Colts ha aggravato una tensione del quadricipite che ha subito all’inizio di quest’anno solo cinque settimane nella stagione. Ma questo è solo uno sport in cui gli infortuni aumentano e il rischio di infortuni è ancora maggiore, soprattutto perché molti cercano di tornare troppo rapidamente in campo. Distorsioni, stiramenti e contusioni, nonché tendinite e borsite, sono lesioni comuni dei tessuti molli nella maggior parte degli sport di contatto, come calcio, rugby, hockey su ghiaccio, calcio e altro. Gli esperti australiani suggeriscono che le lesioni dei tessuti molli sono le lesioni più comuni nello sport e dovrebbero conoscerle meglio da allora. Le regole australiane del calcio e del calcio hanno avuto i più alti tassi di ospedalizzazione per infortunio standardizzati in base alla popolazione . I tessuti molli includono muscoli, tendini, legamenti, fascia, nervi, tessuti fibrosi, grasso, vasi sanguigni e membrane sinoviali, quindi non sono solo i giocatori sportivi che hanno bisogno di attenzione. Chiunque può soffrire di lesioni ai tessuti molli e, anche con il trattamento appropriato, può richiedere un intervento chirurgico.
Tuttavia, le sfide alla base della creazione di tessuti molli sono progredite più lentamente del previsto, con gli scienziati che stanno persino cercando di sviluppare tessuti nello spazio , usando la microgravità per accelerare lo sviluppo. Tuttavia, lo scorso luglio, un team di ricercatori ha trovato un’opportunità potenzialmente trasformativa: applicare la stampa 3D e la produzione di fibre non tessute per creare nuovi tessuti che possono crescere nel corpo umano. Il team di ricercatori di forgiatura interdisciplinare di ispirazione bioingegneristica (FIBRE) della North Carolina State University (NCSU) e dell’Università della Carolina del Nord a Chapel Hill hanno esplorato strategie di stampa 3D per realizzare tessuti come menisco e tendini. Uno dei progressi più significativi finora è stata una stampante 3D in fibra biomedica utilizzata per creare scaffold biocompatibili.
Il menisco è un punto di partenza ideale per il progetto FIBRE a causa della sua struttura complessa e fibrosa.
L’NCSU afferma che mentre una stampante 3D è in grado di riprodurre con precisione le forme e le strutture in un’immagine MRI o una scansione CT, le stampanti 3D tradizionali potrebbero non acquisire in modo appropriato le funzionalità su piccola scala che l’ingegneria dei tessuti richiede. La differenza tra i dispositivi tradizionali e la stampante 3D avanzata FIBERS è il modo in cui forma le fibre: nell’offrire maggiore varietà nelle dimensioni, nella forma e nell’orientamento degli strati di fibre che formano un oggetto, abbinando le fibre naturali che mirano a sostituire e ricrescere.
“Con la stampa 3D convenzionale, è lì che ti imbatti in blocchi stradali. Le dimensioni delle funzionalità che è possibile realizzare possono essere un ordine di grandezza troppo grande ”, ha affermato Rohan Shirwaiker , professore associato di NCSU di ingegneria industriale e dei sistemi.
La stampante 3D è stata costruita con il supporto del Game-Changing Research Incentive Program (GRIP), una partnership dell’Ufficio statale di ricerca e innovazione NC; RTI International ; e il Kenan Institute for Engineering, Technology and Science . Hanno un brevetto in corso di registrazione sulle caratteristiche del processo e hanno anche richiesto un secondo brevetto sulla geometria specifica della fibra che sono stati in grado di produrre con la macchina.
“Ciò che abbiamo appreso sulla macchina GRIP non potremmo mai fare facilmente su una grande macchina pilota”, ha affermato Benham Pourdeyhimi, direttore esecutivo del Nonwovens Institute e principale ricercatore del progetto FIBRE. “Quindi per me c’erano un paio di ‘AHA!’ momenti. ‘Wow, se potessi farlo su una scala più ampia, si aprono opportunità al di fuori di questo dominio per altre applicazioni.’ ”
Behnam Pourdeyhimi con la macchina creata dal team per produrre impalcature flessibili biocompatibili a base di fibre
Secondo NCSU, due domande hanno guidato il lavoro del team: come si possono produrre tessuti su più scale, da micro a nano, con velocità e ripetibilità? E di cosa dovrebbero essere fatti quegli scaffold? Quindi l’attenzione è stata rivolta alla creazione di impalcature, che danno sia forma che direzione alla crescita dei tessuti.
“In assenza di impalcature, potremmo ancora ottenere cellule ossee e farle crescere su una capsula di Petri. E si moltiplicheranno, ma non cresceranno e formeranno il tessuto osseo di cui abbiamo bisogno ”, ha spiegato Shirwaiker.
Pourdeyhimi ha suggerito che la missione di un’impalcatura è fugace e sensibile, quindi una volta impiantata, deve trasportare il carico, quindi innescare e modellare la crescita cellulare, reclutare altre cellule dall’interno del corpo e infine scomparire quando il nuovo tessuto è in grado di funzionare da solo. E deve fare tutto ciò senza interrompere nessuna delle celle e dei sistemi circostanti.
“Stiamo imparando come elaborare materiali che non abbiamo mai elaborato prima”, ha detto Pourdeyhimi. “Abbiamo imparato come manipolarli e utilizzare più tipi di polimeri biofriendly che l’industria dovrebbe usare”.
Un ricercatore carica la stampante 3D su misura, che offre un maggiore controllo sui tessuti creati dal progetto FIBRE.
L’NCSU ha informato che, al fine di affrontare le sfide dell’ingegneria dei tessuti, il team FIBERS ha dovuto attingere conoscenze e competenze dall’ingegneria biomedica e industriale, dai tessuti e dalla medicina veterinaria. Il lavoro di lunga data del dipartimento di ingegneria biomedica (BME) del Dipartimento di ingegneria biomedica Matt Fisher si adatta perfettamente all’iniziativa FIBRE. Insieme a Shirwaiker, sono stati quindi invitati a formare il core team per il progetto FIBRE dal professor Frances Ligler e Pourdeyhimi della BME.
Ligler afferma che oggi la maggior parte dei tessuti trapiantati proviene da cadaveri o dai pazienti stessi, e ci sono stati progressi nell’uso delle cellule staminali per riparare i tessuti danneggiati, ma nessuno dei due approcci offre il livello di personalizzazione richiesto dal corpo umano.
“Una volta acquisiti la conoscenza sia dei materiali che della produzione, possiamo davvero scavalcare ciò che accade nella comunità della medicina rigenerativa”, ha suggerito Ligler.
Matt Fisher, Stephanie Cone e Danielle Howe testano i tessuti molli sintetici nel laboratorio di robotica di Fisher presso NC State
Finora, il lavoro del team di ricerca si è concentrato su innovazioni che migliorerebbero la qualità della vita per le centinaia di migliaia di persone che ottengono la sostituzione dei tessuti molli ogni anno. Inoltre, gli investigatori della FIBRE hanno recentemente richiesto finanziamenti alla National Science Foundation (NSF) con una missione più grande in mente: creare un centro nazionale per l’ingegneria dei tessuti rigenerativi presso l’NCSU. Attualmente, 114.000 americani sono in attesa di trapianti di organi e le opzioni dei donatori sono limitate, quindi i tessuti e gli organi ingegnerizzati hanno la più grande promessa per loro.
