Ricercatori sviluppano un fotoiniziatore alla curcumina per scaffold GelMA 3D multifunzionali
Un nuovo fotoiniziatore “naturale” per l’idrogel GelMA
Un gruppo di ricercatori dell’University of Crete e della Foundation for Research and Technology – Hellas (FORTH/IESL) ha sviluppato una strategia “one‑step” per realizzare scaffold idrogel 3D bioattivi utilizzando la curcumina come fotoiniziatore multifunzionale in polimerizzazione a due fotoni (two‑photon polymerization, 2PP).
Nel lavoro, attualmente in forma di preprint, la curcumina non solo abilita la stampa 3D ad alta risoluzione di idrogel a base di GelMA (gelatina metacrilata), ma conferisce allo stesso tempo proprietà antibatteriche intrinseche al materiale, evitando passaggi di funzionalizzazione post‑stampa.
Perché serviva un nuovo fotoiniziatore per 2PP su idrogel
La polimerizzazione a due fotoni è ampiamente utilizzata per produrre micro‑strutture 3D con risoluzione sub‑micrometrica, ma l’applicazione a idrogel biocompatibili è frenata dalla mancanza di fotoiniziatori efficaci e citocompatibili.
In sistemi convenzionali, iniziatori come Irgacure 2959 mostrano basse sezioni d’urto di assorbimento a due fotoni nel vicino infrarosso, richiedendo intensità laser più alte che aumentano il rischio di danni termici, riduzione della vitalità cellulare e difetti di stampa.
Negli ultimi anni sono stati esplorati approcci alternativi come fotoiniziatori bio‑sourced e resine prive di iniziatore a base di monomeri derivati da piante, ma spesso con compromessi su efficienza di polimerizzazione o finestra di processo.
Curcumina in GelMA: assorbimento non lineare potenziato e finestra di processo ampia
Nel nuovo studio, la curcumina – un polifenolo naturale estratto dalla curcuma, già noto come fotoiniziatore multicolore sotto LED domestici – viene incorporata in una formulazione GelMA al 10% p/p.
Misure Z‑scan a diaframma aperto mostrano che la miscela GelMA/curcumina raggiunge una sezione d’urto di assorbimento a due fotoni di circa 1500 Goeppert‑Mayer (GM), rispetto a circa 320 GM per la curcumina in soluzione, indicando un forte incremento dovuto all’interazione con la matrice polimerica.
Gli autori attribuiscono questo aumento all’interazione tra la curcumina e residui amminoacidici idrofobici della GelMA, che favorisce aggregazione locale e un accoppiamento elettronico più intenso, migliorando il deposito di energia non lineare nel voxel di fuoco durante la scrittura 3D.
Sul piano di processo, la formulazione GelMA/curcumina supporta la polimerizzazione con intensità laser a partire da circa 0,15 TW/cm² e velocità di scansione fino a 52 mm/s, offrendo una finestra operativa più ampia rispetto a sistemi contenenti Irgacure 2959, Eosin Y o Rose Bengal, nei quali si osservano margini più stretti e, in alcuni casi, danni termici alle strutture.
Strutture TPMS e reticoli “bone‑like” con pori controllati
Sfruttando la litografia multifotonica, il team ha stampato una serie di geometrie complesse in GelMA/curcumina, tra cui reticoli quadrati, strutture TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) tipo gyroid e Schwarz diamond, oltre a reticoli con architettura simile all’osso trabecolare.
Immagini al microscopio elettronico a scansione mostrano porosità che spaziano da pochi micron fino a oltre 150 µm a seconda del design, mantenendo una buona definizione dei bordi e continuità delle superfici.
Osservazioni ottiche su campioni idratati indicano che la micro‑architettura resta stabile dopo il rigonfiamento, aspetto cruciale per mantenere interconnessione dei pori e proprietà meccaniche in condizioni fisiologiche.
Le geometrie TPMS sono di grande interesse in medicina rigenerativa perché combinano alta superficie specifica, percorsi di diffusione continui e distribuzione differenziata delle tensioni, favorendo scambio di nutrienti, colonizzazione cellulare e gradiente meccanico simile ai tessuti naturali.
Compatibilità con cellule staminali e risposta antibatterica
La biocompatibilità della formulazione GelMA/curcumina è stata valutata con cellule staminali mesenchimali (MSC).
I saggi di vitalità mostrano una riduzione dell’attività metabolica nel primo giorno dopo la semina sugli scaffold, ma un recupero ai livelli di controllo entro il terzo giorno, supportando la citocompatibilità del fotoiniziatore a base di curcumina nelle condizioni di stampa adottate.
Immagini SEM evidenziano adesione cellulare alla superficie dei filamenti, proliferazione e infiltrazione all’interno dei pori, con morfologia compatibile con l’insediamento su matrici tridimensionali soffici.
Oltre alla compatibilità cellulare, la curcumina conferisce una doppia funzione antibatterica.
Sotto irraggiamento con LED blu (~450 nm), film di GelMA/curcumina mostrano una riduzione di circa il 99,9% delle colonie di Staphylococcus aureus e superiore al 90% per Escherichia coli, indicando una marcata attività fotodinamica.
È stato osservato anche un effetto antifouling “passivo” nei confronti di E. coli, con minore adesione batterica iniziale rispetto a GelMA polimerizzato con fotoiniziatori convenzionali.
Il meccanismo proposto si basa sulla generazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) da parte della curcumina attivata dalla luce, con efficacia maggiore verso S. aureus, probabilmente a causa delle differenze strutturali della parete batterica rispetto ai batteri Gram‑negativi.
Curcumina in GelMA: continuità con studi su wound healing e scaffold multifunzionali
Il lavoro si inserisce in una linea di ricerca più ampia che utilizza curcumina e GelMA per scaffold 3D con funzioni terapeutiche aggiuntive.
Studi precedenti hanno mostrato che GelMA 3D‑stampato contenente curcumina può ridurre la produzione di ROS indotta da advanced glycation end products e migliorare la sopravvivenza di cellule staminali adipose, accelerando la guarigione di ferite diabetiche in vivo.
Altre ricerche hanno combinato GelMA con nanoparticelle di chitosano caricate con curcumina per aumentare proliferazione cellulare e attività antibatterica, oppure hanno integrato curcumina in scaffold compositi per rigenerazione ossea, sfruttando la sua azione antiossidante e antimicrobica.
In questo contesto, l’approccio dell’University of Crete e FORTH/IESL ridefinisce il ruolo del fotoiniziatore: da semplice componente di processo da eliminare o rendere inerte, a elemento strutturale che rimane nello scaffold come agente bioattivo, riducendo la necessità di rivestimenti secondari, drug‑loading o funzionalizzazioni superficiali.
Limiti attuali e prospettive applicative
Gli autori sottolineano che lo studio è ancora allo stadio di preprint, senza peer review, e che i test sono stati condotti su strutture in scala micro‑metrica ottenute tramite 2PP, una tecnologia molto precisa ma ancora poco diffusa rispetto alla biostampa per estrusione nelle applicazioni cliniche.
Passi successivi riguarderanno la valutazione della stabilità a lungo termine delle proprietà antibatteriche, la risposta in vivo in modelli preclinici e l’eventuale estensione della formulazione a tecniche di stampa più scalabili, mantenendo il bilanciamento tra efficienza fotoiniziatrice e citocompatibilità.
Nel medio periodo, scaffold GelMA fotopolimerizzati con curcumina potrebbero trovare impiego in dispositivi per rigenerazione ossea, innesti dermici per ferite croniche o micro‑impianti con superfici a basso rischio di contaminazione batterica, sfruttando la combinazione di architetture TPMS e funzionalità antimicrobiche intrinseche.
