La nuova tecnologia utilizza dispositivi medici PVA per la stampa 3D
I ricercatori della Louisiana State University (LSU) hanno sviluppato una nuova tecnologia per la stampa 3D di dispositivi medici in alcool polivinilico (PVA). Dagli innesti ossei 3D agli stent, lo sviluppo consente la produzione di una vasta gamma di tessuti biosintetici e dispositivi di rilascio di farmaci, che sono molto orientati verso le geometrie. Christen Boyer, un ingegnere di bioprinting e recente Postdoctoral Fellow presso il LSU Health Sciences Center di Shreveport , insieme al biologo delle cellule vascolari, ingegnere dei tessuti e professore presso il LSU Health Sciences Center, Steven Alexander, hanno lavorato su un processo di stampa 3D brevettato che utilizza PVA per formare dispositivi medici multiuso per tessuti. Il loro obiettivo è quello di aiutare la necessità urgente della comunità medica di disporre di sostituti dei tessuti su richiesta per i pazienti con tessuti malati o danneggiati.
Hanno affermato che oggi i sostituti dei tessuti soffrono della mancanza di donatori, tipizzazione dei tessuti, disponibilità, omogeneità e varietà appropriati, portando al fallimento di molti tipi di trapianti. E che mentre l’attuale stampa 3D per tessuti cerca di risolvere questa situazione, è un processo estremamente complesso che richiede un laboratorio specializzato e una struttura di stampa. La loro soluzione ha appena ricevuto un brevetto dall’Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti ed è una novità che utilizza il PVA, un materiale sintonizzabile, che è anche comunemente usato nell’industria medica.
“Quando Christen arrivò in laboratorio (LSU Health Sciences Center Laboratory), abbiamo iniziato a pensare di poter utilizzare il PVA e stabilizzarlo, quindi abbiamo creato un approccio che utilizza chimici 3D a base di gas per stabilizzarlo. E questo è davvero un passo avanti perché tutto può essere fatto, potremmo stampare in 3D questa bioplastica in qualsiasi forma e finora, sembra essere estremamente biocompatibile “, ha descritto Alexander durante un’intervista con 3DPrint.com.
Secondo Boyer e Alexander, il metodo genera impalcature di stampa 3D biologicamente compatibili che supportano l’attecchimento cellulare a causa dell’elevato livello di legame con le proteine, che è il risultato del processo di stabilizzazione. Inoltre, queste matrici possono essere conservate congelate fino al momento del bisogno e persino congelate in 3D per anatomie specifiche del paziente.
Alexander ha continuato dicendo che ” questa chimica è stata effettivamente descritta in precedenza da altri gruppi di ricerca, ma ciò che è stato fatto principalmente con quelli è che li hanno usati per creare film e niente di tridimensionale. Invece, usiamo la stampa 3D per creare una grande varietà di forme diverse che possono essere fatte su contorni e bisogni specifici del paziente e quindi usiamo un processo di reticolazione collegato al gas che lo stabilizza in modo che possa essere infiltrato con cellule, matrice proteine e altro ancora. “
In collaborazione con Hrishikesh Samant, un chirurgo di trapianto presso LSU Health, Boyer e Alexander hanno ideato un nuovo stent con stampa 3D reticolata PVA (XL-PVA) infuso con collagene, cellule staminali mesenchimali placentali umane (PMSC) e colangiociti. Gli stent biliari viventi personalizzati hanno applicazioni cliniche nella regolazione di ostruzioni del dotto biliare maligne e benigne. Nel complesso, questo approccio può consentire ai medici di creare stent biointegranti personalizzati da utilizzare nelle procedure biliare e getta le basi per nuove tecniche di fabbricazione di stent specifiche per il paziente.
Il loro articolo ” Stampa 3D per stent biliari sintetici ” suggerisce che uno stent biodegradabile che si dissolve consentendo l’espulsione dei suoi resti nel duodeno eliminerebbe la necessità di una procedura di rimozione del dispositivo secondario, che aumenterebbe il rischio di occlusione biliare ricorrente o stenosi .
Un altro studio condotto dal duo ha coinvolto la stampa 3D di costrutti antimicrobici e radiopachi. Suggeriscono che la stampa 3D PVA con iodio rappresenti un’importante nuova piattaforma sintetica per la generazione di una vasta gamma di dispositivi antimicrobici e ad alta visibilità, come mesh e stent 3D. Boyer ritiene che il PVA caricato con iodio (PVA-I) o altri agenti potrebbe essere orientato verso bende fatte su misura per anatomie specifiche o addirittura bruciare le vittime.
Nel loro studio ” Stampa tridimensionale di prodotti antimicrobici e radiopachi “, il team ha stampato con successo dispositivi PVA in 3D, reticolato il PVA e poi iodato le stampe mediante sublimazione gassosa. Sostengono che questo approccio fornisce una piattaforma sintetica architettonicamente diversificata altamente accessibile, economica e “sintonizzabile” per la produzione di dispositivi e mesh antimicrobici e radiopachi.
“Molte volte i materiali impiantati, ad esempio durante una protesi d’anca, costituiscono un nidus di infezione (che è al centro dell’infezione), ovvero diventano luoghi difficili da raggiungere per il sistema immunitario e un nascondiglio per i batteri. Invece, se i chirurghi usassero un materiale con iodio infuso nella sua struttura, avrebbe intrinsecamente proprietà antimicrobiche. Questo è un altro eccitante uso del PVA iodato o PVA-I che stiamo brevettando ”, ha indicato Alexander.
Secondo gli esperti, la iodinazione di impianti, come gli stent vascolari, può creare materiali che hanno la capacità di ridurre o eliminare la colonizzazione con batteri e ridurre il rischio di infezione localizzata associata all’impianto di materiali estranei. Grazie alla stampa 3D possono fabbricare impianti personalizzati con concentrazioni su misura di materiale iodato per applicazioni di imaging e antimicrobiche.
“Attualmente li stiamo testando (stampe PVA con ceramiche e cellule staminali placentari) in impianti cranici nei conigli presso il Centro di scienza della salute dell’LSU, ovvero li stiamo usando come sostituti ossei non portanti per conigli come parte degli studi preliminari “, Ha detto Alexander. Inoltre, abbiamo iniziato uno studio con il New Iberia Research Center , presso l’ Università della Louisiana a Lafayette, dove i ricercatori useranno le impalcature di cellule staminali in PVA stampate in 3D negli impianti cranici in primati non umani, oltre a guardare le ossa non portanti, che è solo il primo passo come una sostituzione ossea per vedere quanto bene il materiale integra. I nostri test pre-clinici suggeriscono che può essere utilizzato per la ricostruzione del cancro nei prossimi anni. Il PVA è superiore agli altri materiali che sono disponibili in questo momento, come l’osso da cadavere che ha molti problemi di sterilità, questa è un’alternativa più gradevole e può essere realizzata secondo le immagini generate al computer. “
Boyer spiega che avere stampanti 3D fa una “grande differenza poiché ci consentono di progettare forme con porosità che non avremmo potuto fare con metodi tradizionali: la stampa 3D apre le porte a geometrie uniche”.
I due sono riusciti a trasformare il laboratorio di LSU in un laboratorio di ingegneria dei tessuti che ora ha sei stampanti 3D, ma i ricercatori si affidano fortemente alle tradizionali stampanti FDM e SLA. Inoltre, dipendono dalla programmazione di Boyer per la creazione del codice G e dei file STL dai dati del paziente.
Per quanto riguarda il futuro della loro collaborazione, hanno in programma di continuare a lavorare insieme, anche se Boyer ha recentemente iniziato a lavorare con il leader del mercato della bioprinting CELLINK . Quest’anno estenderanno il loro lavoro allo sviluppo del menisco sintetico utilizzando alcuni dei materiali con cui hanno lavorato negli anni passati. Boyer afferma di aver anche iniziato a perseguire licenze con altre società. Un esempio di ciò è rappresentato dalle aziende esperte che lavorano con ossa sintetiche per infonderle con fattori di crescita che consentiranno di sostituire il materiale. Lavoreranno anche per creare un sostituto infuso muscolare ed epiteliale per le regioni in cui l’esofago di un paziente potrebbe essere danneggiato.
Durante la collaborazione iniziale di due anni e mezzo, Boyer e Alexander hanno contribuito a raccogliere oltre $ 170.000 in finanziamenti per questi progetti. Tutto il lavoro sulle cellule staminali è supportato dal Centro LSU per l’ingegneria tissutale e la medicina rigenerativa (CTERM) , e il loro finanziamento proviene dalla Osteo Science Foundation e dallo Stato della Louisiana.
Ancora una volta, la stampa 3D si rivela un metodo di produzione additivo che possiede un grande potenziale per le future tecnologie mediche specifiche del paziente . Inoltre, i dispositivi medici che comprendono una struttura formata da alcol polivinilico stabilizzato attraverso sostanze chimiche sintonizzabili e che consentono il legame attivo di terapie, proteine e cellule potrebbero essere un grande vantaggio per i chirurghi e i medici in futuro. Il team di Boyer-Alexander continuerà a portare avanti il proprio lavoro affinché i pronto soccorso e gli ospedali offrano soluzioni migliori per i pazienti. I contributi al campo, come gli stent biliari sintetici stampati in 3D, possono consentire ai medici di creare stent biointegranti personalizzati da utilizzare nelle procedure biliari e gettare le basi per nuove tecniche di fabbricazione di stent specifiche per il paziente.
