Strategie di progettazione razionale e applicazioni biomediche emergenti

Idrogel nel bioprinting oggi: strategie di progettazione per applicazioni emergenti

Ricercatori tedeschi e cinesi stanno lavorando insieme per studiare ulteriormente l’uso degli idrogel nel bioprinting, delineando i loro risultati nella recente stampa 3D degli idrogel: strategie di progettazione razionale e applicazioni biomediche emergenti .

Poiché gli idrogel sono profondamente legati alla bioprinting, sono al centro di molti diversi progetti di ricerca in tutto il mondo, dallo studio degli impatti sulla conducibilità all’aggiunta dell’uso di idrogel nella scrittura diretta dell’inchiostro , alla loro fabbricazione con nuove tecniche in corso e altro ancora. In questo studio, gli scienziati si concentrano su progetti, tecniche, materiali e proprietà attuali relativi all’uso riuscito con idrogel, oltre a ricordarci che “la stampa 3D è considerata la prossima rivoluzione globale industriale e manifatturiera”.

Oltre alla bioprinting e all’ingegneria dei tessuti, le applicazioni in cui è possibile utilizzare la stampa 3D sono infinite, dall’automotive alla chimica, medica, farmaceutica, robotica, energia … e l’elenco continua ancora.

“Per liberare completamente l’enorme potenziale della stampa 3D, sono necessari nuovi inchiostri stampabili realizzati con materiali diversi e ciò richiede progettazione e sviluppo su richiesta della composizione, struttura, funzione e dinamica dei materiali dell’inchiostro”, affermano gli autori.

E mentre la stampa 3D continua a trasformare l’ingegneria dei tessuti, offrendo controllo, velocità, accuratezza e spesso anche grande convenienza, la necessità di inchiostri migliori restringe ancora molti progetti di ricerca. Con l’uso delle reti di idrogel, tuttavia, i ricercatori possono manipolare il “rimodellamento della matrice”, la migrazione e la sostenibilità delle cellule e anche l’adesione. Queste strutture possono essere personalizzate in termini di materiale, chimica e proprietà. Poiché possono imitare formalmente la matrice extracellulare (ECM), gli idrogel sono in grado di “dirigere il destino delle cellule” se usati come inchiostri stampabili 3D.

“Dal punto di vista dell’ingegneria dei tessuti, la creazione di un microambiente cellulare in grado di imitare l’ECM nativo è altamente desiderata e significativa per ricapitolare l’ambiente in vivo e replicare le funzioni di cellule / tessuti in vitro”, spiegano i ricercatori. “Imitando l’ECM, gli idrogel sono in grado non solo di fornire supporto strutturale per la residenza cellulare, ma anche di fornire vari spunti biochimici predefiniti (citochine, fattori di crescita, peptidi di adesione cellulare, ecc.) E biofisici (strutture, rigidità, degrado, ecc.) Per destino cellulare modulante. “

Nel bioprinting esistono diversi metodi di stampa 3D, tra cui sistemi basati su laser, sistemi basati su ugelli e sistemi basati su stampante.

“Tuttavia, non tutte le tecniche di stampa 3D sono applicabili al processo di materiali in idrogel poiché la lavorazione dei materiali in idrogel richiede condizioni lievi piuttosto che condizioni difficili e, pertanto, non è obiettivo di questa recensione discutere di tutte queste tecniche di stampa 3D”, ha affermato gli autori.

I tipi di idrogel possono essere separati in:

Idrogel polimerici naturali
Idrogel di polisaccaridi
Idrogel di poliacrilato
Idrogel di nanocompositi
Idrogel compositi
Idrogel supramolecolari
Idrogel sensibili agli stimoli

I design dell’impalcatura devono soddisfare diversi requisiti:

Devono essere molto porosi
I materiali devono essere biocompatibili
Le superfici devono essere adatte alla vitalità cellulare
Deve essere in grado di supportare le proprietà meccaniche richieste
Per l’idoneità nella fabbricazione, gli idrogel devono possedere le proprietà reologiche corrette, nonché i meccanismi di reticolazione.

Anche gli inchiostri biologici devono essere scelti con molta attenzione, con opzioni come

Inchiostro idrogel monocomponente
Inchiostri idrogel IPN
Inchiostri idrogel supramolecolari
Inchiostri idrogel nanocompositi

La bioprinting offre enormi vantaggi nella modellizzazione dei tessuti, consentendo precisione nella personalizzazione del posizionamento delle cellule, ECM, materiali, fattori di crescita nei ponteggi e altro ancora. Le piattaforme Tissue-on-a-chip e organ-on-a-chip sono anche le principali fonti di interesse per i ricercatori che cercano di imitare il microambiente di tessuti / organi umani.

“La combinazione di microfluidica e tecnologie di stampa 3D in tessuto su chip e organo su chip consente progetti più potenti per la creazione di canali / camere di flusso complicati e biocostruzioni funzionali con struttura 3D eterogenea, posizionamento delle cellule e specificità dei tessuti per ricapitolare e riprodurre le caratteristiche naturali del tessuto / organo “, affermano gli autori.

La stampa 4D e la bioprinting 4D stanno entrando nel quadro anche più spesso quando i ricercatori si rendono conto di una necessità e vedono l’efficacia della creazione di materiali intelligenti in grado di adattarsi ai loro ambienti. Possono trasformarsi o “deformarsi” dalla loro forma originale secondo necessità (spesso a causa di umidità o sbalzi di temperatura), e quindi tornare.
“Tutto sommato, un giorno le scene di bioprinting 3D di un organo o di un umano nei film di fantascienza non saranno più fantascienza ma diventeranno realtà, entrando nel nostro mondo reale.”