Ingegneria dei grani di polline naturali come materiali di stampa 3D multifunzionali
I ricercatori della Nanyang Technological University (NTU) hanno sviluppato un inchiostro per la biostampa 3D caricato con estratto di girasole che potrebbe produrre una nuova generazione di dispositivi biomedici.
A differenza dei normali bio-inchiostri malleabili, la creazione basata sul polline del team può essere sintonizzata per conferire maggiore rigidità, quindi è in grado di essere stampata in 3D in strutture senza perdere la sua integrità tra gli strati. Avendo già utilizzato il loro inchiostro per produrre scaffold cellulari rigenerativi dei tessuti, gli scienziati ora ritengono che abbia un potenziale significativo nell’ambito dell’ingegneria dei tessuti, dei test di tossicità e delle applicazioni di somministrazione di farmaci.
“La biostampa può essere difficile perché il materiale degli inchiostri utilizzati è in genere troppo morbido, il che significa che la struttura del prodotto previsto potrebbe collassare durante la stampa”, ha spiegato Cho Nam-Joon, co-autore dello studio. “Attraverso la messa a punto delle proprietà meccaniche del polline di girasole, abbiamo sviluppato un inchiostro ibrido a base di polline che può essere utilizzato per stampare strutture con una buona integrità strutturale”.
“DATO CHE ESISTONO NUMEROSI TIPI DI SPECIE DI POLLINE, LE SOSPENSIONI DI MICROGEL DI POLLINE POTREBBERO ESSERE POTENZIALMENTE UTILIZZATE PER CREARE UNA NUOVA CLASSE DI MATERIALI DI STAMPA 3D ECOLOGICI”.
Grazie alla sua capacità intrinseca di incorporare cellule viventi, la stampa 3D Direct Ink Writing (DIW) è diventata un mezzo sempre più popolare per creare dispositivi biomedici come gli scaffold tissutali. Allo stesso modo, gli idrogel sono spesso utilizzati all’interno di DIW perché sono personalizzabili, facilitano l’attaccamento cellulare e sono in grado di imitare accuratamente i tessuti biologici.
Tuttavia, secondo i ricercatori della NTU, gli idrogel sono anche caratterizzati da bassa stabilità meccanica e bioinerzia, che richiedono la creazione di un inchiostro “ibrido” che “fornisca funzioni e proprietà non raggiungibili da nessun singolo idrogel”.
In passato, alcuni scienziati hanno scoperto che l’integrazione di nanofibre o nano-piastrine in bio-inchiostri idrogel li solidifica e impedisce loro di intasare gli ugelli di una stampante. Altri hanno sviluppato matrici di supporto, composte da idrogel, cellule e gomma, che aiutano a preservare le strutture stampate prima che siano completamente polimerizzate, offrendo allo stesso tempo stabilità e sostenibilità migliorate grazie ai loro ingredienti riutilizzabili.
Prendendo ispirazione da quest’ultimo, il team di NTU ha quindi creato una sospensione di microgel da grani di polline rinnovabili. Date le sue dimensioni uniformi, nonché il suo comportamento reologico sintonizzabile e coerente, gli scienziati affermano che il polline produce matrici di supporto ideali e che la sua natura reattiva agli stimoli potrebbe prestargli potenziali capacità di somministrazione di farmaci.
Per creare il loro nuovo bio-inchiostro, i ricercatori hanno iniziato utilizzando un metodo simile alla produzione di sapone per trasformare il polline di girasole in una sospensione di microgel. Questo è stato quindi miscelato con alginato, gomma e acido ialuronico, ottenendo una miscela composta da granuli di polline con uno strato esterno più morbido del normale, consentendo loro di essere compressi nell’ugello di una stampante senza incepparlo.
Infatti, durante i primi test, gli scienziati hanno scoperto di essere in grado di estrudere il loro bio-inchiostro con un dato volume di contenuto di polline, senza intasare la loro stampante 3D. Dopo aver dimostrato la fattibilità iniziale del loro materiale producendo microstrutture multistrato, il team ha poi fabbricato scaffold caricati con colorante, per valutarne il potenziale di somministrazione del farmaco.
È interessante notare che la quantità di colorante rilasciata durante questi esperimenti è cambiata nel tempo, quindi grazie alla natura reattiva agli stimoli del polline, il bio-inchiostro potrebbe essere sintonizzato per rilasciare farmaci in base a dosaggi specifici per il paziente. Dato che il polline è anche biocompatibile, i ricercatori sono stati in grado di caricare anche le loro impalcature con cellule, producendo una struttura a cinque strati che mostrava una vitalità cellulare del 94%.
Gli scienziati hanno stampato in 3D il loro inchiostro in un dispositivo a “rete di gomito” con “buona fedeltà strutturale”. Immagine tramite il diario Advanced Functional Materials.
Infine, il team ha aumentato il contenuto di gomma e alginato del proprio inchiostro per testare la sua capacità di produrre dispositivi biomedici più convenzionali come i supporti. In pratica, questo significava creare un dispositivo a “cupola in rete di gomma siliconica”, che secondo gli scienziati “ha mostrato una buona fedeltà strutturale” e una “risoluzione di stampa migliorata”, grazie alla sua base di polline.
Andando avanti, i ricercatori intendono ottimizzare ulteriormente la loro sospensione migliorandone la riciclabilità dopo più cicli di calore, ma la vedono già come un modo praticabile per evitare l’inceppamento della stampa durante la stampa 3D e, dato il suo comportamento reattivo agli stimoli, dicono che potrebbe essere un “materiale di partenza abbondante e conveniente” per future applicazioni biomediche.
“Le nostre scoperte potrebbero aprire nuove porte a membrane flessibili personalizzate che si adattano esattamente ai contorni della pelle umana, come cerotti per ferite o maschere facciali”, ha concluso il coautore dello studio Song Juha. “Utilizzando il nostro inchiostro, che è biocompatibile, flessibile e a basso costo, possiamo fabbricare membrane che sono adattate ai contorni della pelle umana e sono in grado di piegarsi senza rompersi”.
L’ascesa del materiale di ispirazione biologica
Mentre l’industria della stampa 3D continua a cercare alternative ecologiche ai polimeri a base di petrolio, gli scienziati si sono rivolti sempre più a madre natura per le risposte. I ricercatori dell’Università portoghese di Aveiro e dell’Istituto dei materiali di Aveiro , ad esempio, hanno recentemente sviluppato un materiale ABS a base di bambù che, secondo loro, fornisce “parti di qualità migliorata”.
Presso l’ Istituto federale per la ricerca e le prove sui materiali , gli scienziati si sono rivolti agli insetti, convertendo i rifiuti di termite in un materiale di stampa a getto di legante unico . Sebbene la materia prima abbia inizialmente mostrato un basso livello di resistenza, i suoi progettisti sostengono che in futuro potrà essere utilizzata per creare strutture in filigrana altamente accurate.
Altrove, i ricercatori hanno abbracciato i progetti di madre natura piuttosto che i suoi ingredienti grezzi, come il team della Kiel University , che ha stampato in 3D “giunti appuntiti” ispirati alla libellula. Come i dispositivi di test biomedici degli scienziati NUT, il team di Kiel è ultra resistente, ma il suo design lo rende anche abbastanza flessibile e robusto da meritare l’applicazione per l’uso finale.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Ingegneria dei grani di polline naturali come materiali di stampa 3D multifunzionali “. Lo studio è stato co-autore di Shengyang Chen, Qian Shi, Taesik Jang, Mohammed Shahrudin Bin Ibrahim, Jingyu Deng, Gaia Ferracci, Wen See Tan, Nam-Joon Cho e Juha Song.
