Un gruppo di ricerca della Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate dell’Università della Virginia sta compiendo progressi significativi nello sviluppo di voxel per la stampa 3D di organi. Guidati dall’assistente professore Liheng Cai e dal suo studente laureato Jinchang Zhu, i ricercatori hanno creato un biomateriale con proprietà meccaniche che replicano diversi tessuti umani. Questo potrebbe rappresentare un passo avanti fondamentale verso la produzione su richiesta di organi compatibili con l’uomo.
Innovativo metodo di bioprinting
Nello studio pubblicato sulla rivista Nature Communications, Cai e Zhu presentano il loro metodo di bioprinting innovativo chiamato Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Questa tecnica utilizza particelle di biomateriali a base acquosa, depositate in una matrice di supporto, per costruire strutture 3D che forniscono un ambiente ideale per la crescita cellulare. I voxel, equivalenti tridimensionali dei pixel, sono utilizzati per costruire questi oggetti.
“Le nostre nuove particelle di idrogel sono il primo voxel funzionale che abbiamo mai realizzato”, spiega Zhu. “Con un controllo preciso sulle proprietà meccaniche, questo voxel può fungere da elemento costitutivo per i nostri futuri costrutti di stampa. Con questo livello di controllo, possiamo stampare organoidi, modelli 3D basati su cellule che funzionano come tessuti umani, utili per studiare la progressione delle malattie e per la ricerca di cure.”
Caratteristiche del biomateriale sviluppato
Le particelle sono costituite da idrogel polimerici che imitano i tessuti umani modificando la disposizione e i legami chimici dei singoli monomeri. Le cellule umane reali sono intrappolate all’interno di queste particelle. Rispetto ad altri bioinchiostri idrogel, i materiali sviluppati da Cai e Zhu risultano meno tossici e più biocompatibili. Gli idrogel a doppia rete, costituiti da due reti molecolari intrecciate, sono meccanicamente robusti e altamente adattabili per imitare le proprietà fisiche dei tessuti umani.
Evoluzione della tecnologia DASP
La tecnologia DASP è stata presentata per la prima volta nel 2021 sulla rivista Advanced Functional Materials, dove Cai e Zhu hanno dimostrato il concetto di utilizzo di voxel di biomateriali come elementi costitutivi, creando un materiale che imitava il funzionamento di un pancreas rispondendo al glucosio con il rilascio di insulina.
Nel loro recente lavoro su Nature Communications, introducono DASP 2.0, che utilizza un bioinchiostro idrogel migliorato tramite un processo di “chimica del clic” per reticolare rapidamente le strutture molecolari. Un miglioramento significativo è stato lo sviluppo di un ugello multicanale che mescola i componenti dell’idrogel su richiesta, passando da gocce liquide a un gel elastico pieno d’acqua in meno di 60 secondi.
Prospettive future della biostampa
“La manipolazione precisa dei voxel viscoelastici rappresenta una sfida fondamentale nella scienza della materia soffice e nella biostampa 3D”, ha affermato Cai. “Abbiamo gettato le basi per la biostampa voxelata. Quando il DASP sarà pienamente realizzato, le applicazioni includeranno il trapianto di organi artificiali, la modellazione di malattie e tessuti e lo screening di nuovi farmaci.”
Supporto finanziario
La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e da altre istituzioni, rappresentando un importante contributo al campo della biostampa e della medicina rigenerativa.
