I RICERCATORI DELLA TEXAS A&M USANO BIOMATERIALI STAMPATI IN 3D PER CREARE INNESTI OSSEI FACCIALI
I ricercatori della Texas A&M University hanno combinato la stampa 3D, l’ingegneria biomateriale e la biologia delle cellule staminali per creare nuovi materiali di innesto osseo più efficienti e personalizzabili.
Sfruttando queste tre tecnologie, gli scienziati hanno prodotto scaffold altamente osteogenici stampati in 3D che non solo facilitano la crescita delle cellule ossee ma fungono anche da solida piattaforma per la rigenerazione ossea in forme personalizzate. Il nuovo biomateriale potrebbe rappresentare un’alternativa all’uso di metalli e polimeri nella chirurgia ricostruttiva, con l’innesto cutaneo in grado di integrarsi perfettamente nel cranio del paziente dopo la guarigione.
“I materiali utilizzati per le protesi ossee craniofacciali sono biologicamente inattivi ed estremamente duri, come il titanio, oppure biologicamente attivi e troppo morbidi, come i biopolimeri”, ha affermato Roland Kaunas, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria biomedica. “Nel nostro studio, abbiamo sviluppato un polimero sintetico che è sia bioattivo che meccanicamente forte. Questi materiali sono anche stampabili in 3D, consentendo la realizzazione di impianti craniofacciali personalizzati che sono esteticamente gradevoli e funzionali. “
Il biomateriale dei ricercatori può essere utilizzato per fabbricare una vasta gamma di protesi facciali, comprese quelle per la chirurgia dello zigomo, dell’orbita oculare e della mascella. Immagine via Texas A&M.
La necessità di migliorare la tecnologia dell’innesto osseo
Ogni anno 200.000 persone subiscono lesioni alla mascella, al viso o alla testa. L’intervento chirurgico risultante richiede spesso l’uso di piastre e viti in titanio per mantenere in posizione queste ossa rotte e consentire alle cellule ossee circostanti di crescere e formare una copertura attorno all’impianto. Sebbene questo approccio abbia raggiunto il relativo successo nell’aiutare la riparazione ossea, il titanio non si integra sempre nel tessuto osseo, il che può quindi causare il fallimento dell’impianto e, in casi avanzati, portare a un ulteriore intervento chirurgico.
I metalli e i termoplastici sono anche più sensibili alle infezioni, all’estrusione e all’esposizione degli impianti, alla necrosi tissutale e alla schermatura da stress rispetto agli innesti autologhi. I trapianti di ossa sono considerati un’alternativa preferibile dai chirurghi, ma questa tecnica presenta anche degli svantaggi. L’applicazione diretta dei tessuti ossei si basa su una fonte limitata di tessuti donatori, incorre nella morbilità del sito donatore e anche in questo caso, le geometrie complesse dell’osso nel cranio non possono essere facilmente replicate.
I ricercatori hanno identificato i polimeri biocompatibili, e più specificamente i biogel, come sostituto di impianti polimerici e metallici. Questi materiali malleabili sono preferibili perché, una volta caricati con cellule staminali ossee, i gel possono essere stampati in 3D in qualsiasi forma pre-programmata. Inoltre, a differenza della placcatura in metallo, il corpo umano può dissolvere gli idrogel nel tempo, senza danni permanenti.
Utilizzo di biogel stampati in 3D per creare trapianti di ossa
Sebbene la flessibilità dei biogel li rende ideali per la bioprinting 3D, la loro flessibilità influisce anche sull’integrità meccanica e l’accuratezza di qualsiasi parte prodotta. Al fine di rendere il materiale più rigido, i ricercatori hanno sviluppato un entanglement ionico-covalente nanoingegnerizzato o “NICE”. La ricetta per questa miscela comprende solo tre ingredienti principali: un estratto di alghe chiamato kappa carragenina, gelatina e particelle di nanosilicato. Questi elementi agiscono per stimolare la crescita ossea e rinforzare meccanicamente l’idrogel NICE, con la miscela che risulta essere oltre otto volte più forte dei suoi singoli componenti.
Una volta preparata la miscela, i ricercatori hanno aggiunto cellule staminali adulte alle parti 3D stampate con inchiostro NICE, quindi hanno indotto chimicamente le cellule staminali per convertirle in cellule ossee. Entro due settimane dal processo, gli scienziati hanno scoperto che le cellule erano cresciute in numero, producendo alti livelli di proteine associate all’osso, minerali e altre molecole. Le secrezioni cellulari formavano un’impalcatura, nota come matrice extracellulare, con una composizione unica di materiali biologici necessari per la crescita e la sopravvivenza delle cellule ossee in via di sviluppo. Una volta che le impalcature erano state completamente sviluppate, le cellule ossee potevano essere rimosse e l’impianto a base di idrogel era pronto per essere inserito nel sito della lesione cranica.
Secondo i ricercatori, la forza dei ponteggi stampati in 3D facilita l’attaccamento e la crescita di cellule ossee sane, consentendo allo stesso tempo alle cellule ossee in via di sviluppo di penetrare attraverso il materiale sintetico. Gli idrogel sono anche resistenti e resistenti, consentendo la manipolazione manuale, pur essendo leggermente comprimibili e consentendo un adattamento alla pressione nel difetto. A causa delle promettenti proprietà biologiche e fisiche degli innesti NICE, i ricercatori sono desiderosi di utilizzare il processo per la rigenerazione ossea in vivo per la fusione spinale nel prossimo futuro.
“Sebbene il nostro lavoro attuale sia focalizzato sulla riparazione delle ossa del cranio, nel prossimo futuro, vorremmo espandere questa tecnologia non solo per i difetti craniomaxillofacciali, ma anche per la rigenerazione ossea in caso di fusioni spinali e altre lesioni”, ha detto Kaunas.
Il team di Texas A&M ha scoperto che le cellule si erano moltiplicate per meno di 2 settimane nel processo NICE. Immagine via Texas A&M.
Il team di ricerca ha scoperto che le cellule si erano moltiplicate per meno di 2 settimane nel processo NICE. Immagine via Texas A&M.
Innesto osseo nella produzione additiva
I nuovi biomateriali sperimentali sono un argomento caldo nella stampa 3D in questo momento, con molte istituzioni accademiche che tentano di perfezionare la tecnologia per scopi di innesto osseo.
La clinica universitaria Charité – Universitätsmedizin di Berlino , ha sviluppato ponteggi in mesh di titanio stampati in 3D nel gennaio 2018, per offrire un’alternativa alle tecniche tradizionali di innesto osseo utilizzando l’osso di un paziente. Gli scienziati hanno affermato che gli impianti offrivano una resistenza senza pari e potevano essere progettati con geometrie interne complesse per adattarsi a qualsiasi lesione.
I ricercatori dell’Oxford Performance Materials (OPM) con sede nel Connecticut e della McGill University in Canada, hanno utilizzato gli impianti PEKK stampati in 3D per accelerare la rigenerazione ossea a giugno 2019. Il metodo di nuova concezione potrebbe aiutare nei trattamenti per difetti ossei di dimensioni critiche, riducendo la necessità di procedure invasive come l’innesto osseo.
Gli scienziati della Rice University e dell’Università del Maryland (UMD) hanno sviluppato un nuovo proof of concept per il tessuto osseo artificiale stampato in 3D nell’aprile 2019. La cartilagine era stata sviluppata per aiutare gli atleti a riprendersi da infortuni sportivi e coloro che soffrono di danni correlati a artrite.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Condizionamento di impalcature ioniche-coventient entanglement stampate in 3D con matrice derivata iP-hMSC “, pubblicato sulla rivista Advanced Healthcare Materials . Lo studio è stato scritto da Candice Sears, Eli Mondragon, Zachary I. Richards, Nick Sears, David Chimene, Eoin P. McNeill, Carl A. Gregory, Akhilesh K. Gaharwar e Roland Kaunas.
