Gli scaffold prodotti in modo additivo sono destinati a supportare la crescita di nuovo tessuto
Valvole cardiache bio-ispirate dalla stampante 3D
Un team di ricerca ha sviluppato scaffold per valvole cardiache artificiali dalla stampante 3D, che dovrebbero consentire di formare nuovo tessuto nel paziente dalle cellule del corpo. Il team ha creato una nuova piattaforma di produzione per produrre questi scaffold utilizzando il processo di produzione additiva all’avanguardia chiamato Melt Electrowriting. Ciò consente di combinare diversi modelli ad alta precisione e quindi di ottimizzare le proprietà meccaniche della struttura. A lungo termine, dovrebbero essere creati impianti di valvole cardiache che crescono con il paziente, che rappresentano un’opzione terapeutica sostenibile per tutta la vita, soprattutto per i bambini.
Nel corpo umano, quattro valvole cardiache assicurano che il sangue sia diretto nella giusta direzione. È fondamentale che le valvole cardiache si aprano e si chiudano correttamente. Per garantire questa funzione, il tessuto della valvola cardiaca ha una struttura eterogenea, il che significa che le valvole cardiache hanno proprietà biomeccaniche diverse all’interno della loro struttura.
Un gruppo di ricerca guidato da Petra Mela, professoressa di materiali e impianti medici presso l’Università tecnica di Monaco (TUM), e dalla professoressa Elena De-Juan Pardo dell’Università dell’Australia occidentale, ha ora imitato per la prima volta questa struttura eterogenea utilizzando un Processo di stampa 3D chiamato melt electrowriting. A tal fine, hanno sviluppato una piattaforma di produzione che consente la stampa ad alta precisione di modelli individuali e loro combinazioni. Ciò ha consentito loro di mettere a punto varie proprietà meccaniche all’interno della struttura di base di una valvola cardiaca.
L’elettroscrittura a fusione consente la produzione di strutture strutturali precise e individuali
L’elettroscrittura a fusione è un processo di produzione additiva relativamente nuovo che utilizza l’elettricità ad alta tensione per formare modelli precisi da una fibra polimerica molto sottile. Un polimero viene riscaldato, fuso ed espulso da una testina di stampa sotto forma di getto di liquido.
Durante il processo viene utilizzato un campo elettrico ad alta tensione, che consente di ridurre notevolmente il diametro del getto di polimero accelerando il getto e trascinandolo verso un dispositivo di raccolta. Questo crea una fibra molto sottile, tipicamente nell’intervallo da cinque a cinquanta micron di diametro. Inoltre, il campo elettrico stabilizza il fascio polimerico. Questo è un prerequisito per creare modelli chiaramente definiti e precisi.
I modelli predefiniti vengono “scritti” con il raggio in fibra utilizzando una piattaforma di acquisizione controllata da computer. Questa piattaforma mobile cattura la fibra in uscita in un percorso chiaramente definito, proprio come una fetta di pane che viene spostata avanti e indietro sotto un cucchiaio di miele gocciolante. Questo percorso è specificato dall’utente tramite la programmazione delle coordinate.
Al fine di ridurre significativamente lo sforzo di programmazione richiesto per produrre strutture complesse per le valvole cardiache, gli scienziati hanno sviluppato un software che consente di assegnare modelli individuali a diverse aree della struttura di una valvola cardiaca. Questi possono essere selezionati da una raccolta di modelli disponibili. Inoltre, le specifiche geometriche come la lunghezza, il diametro e la sezione trasversale del traliccio possono essere facilmente regolate tramite un’interfaccia utente grafica.
Gli scaffold delle valvole cardiache sono compatibili con le cellule e biodegradabili
Il team ha utilizzato policaprolattone (PCL) medicalmente approvato per la stampa 3D perché è compatibile con le cellule e biodegradabile. I ricercatori stanno quindi perseguendo il concetto che dopo l’impianto della valvola cardiaca PCL, le cellule del paziente crescono sulla struttura di supporto porosa, che può quindi formare nuovo tessuto prima che la struttura del PCL si degradi. Nei primi studi sulla coltura cellulare, la crescita cellulare poteva già essere osservata sulla struttura di supporto.
Lo scaffold PCL è incorporato in un materiale simile all’elastina che imita le proprietà dell’elastina endogena che si trova nelle valvole cardiache reali. Inoltre, ha micropori più fini di quelli della struttura PCL. Questo serve a lasciare abbastanza spazio per la sedimentazione delle cellule, ma allo stesso tempo le valvole sono sufficientemente strette da garantire il flusso sanguigno.
Le valvole cardiache stampate in 3D sono state testate in un sistema circolatorio artificiale che simula il flusso sanguigno e la pressione del corpo. Nelle condizioni studiate, le valvole cardiache si aprivano e si chiudevano correttamente.
Le nanoparticelle consentono la visualizzazione nella risonanza magnetica
Il materiale PCL è stato ulteriormente sviluppato e valutato. Franz Schilling, professore di risonanza magnetica biomedica, e Sonja Berensmeier, professoressa di tecnologia di separazione selettiva al TUM, sono stati coinvolti in questo. Modificando il PCL con le cosiddette nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetiche ultra-piccole, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare gli scaffold utilizzando la tecnologia della risonanza magnetica (MRI). Anche con questa modifica, il materiale è ancora stampabile e compatibile con le cellule del corpo. Ciò potrebbe facilitare l’uso di questa tecnica nelle cliniche, poiché consente di visualizzare gli scaffold durante l’impianto.
“Il nostro obiettivo è creare valvole cardiache bioanaloghe che promuovano la formazione di nuovo tessuto funzionale nel paziente. I bambini in particolare potrebbero trarre vantaggio da tale soluzione, poiché le valvole cardiache attualmente disponibili non crescono con il paziente e quindi devono essere sostituite in diversi interventi nel corso degli anni. Le nostre valvole cardiache, d’altra parte, imitano la complessità delle valvole cardiache del corpo e sono progettate in modo tale da consentire alle cellule del corpo del paziente di infiltrarsi nella struttura di supporto”, spiega Petra Mela.
Il prossimo passo verso l’uso clinico sono gli studi preclinici su modelli animali. Il team sta anche lavorando per migliorare ulteriormente la tecnologia e sviluppare nuovi biomateriali
