Bioprinting assistito dall’aspirazione: un nuovo metodo per la stampa precisa di sferoidi tissutali
Nel campo dell’ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa, un crescente interesse e uso della tecnologia di bioprinting sta cambiando il modo in cui i ricercatori stanno conducendo le indagini. Per soddisfare particolari esigenze della loro ricerca, molti laboratori in tutto il mondo stanno creando bioprinter personalizzate, sviluppando nuove tecniche di bioprinting e persino producendo i propri bioink. Negli ultimi anni, abbiamo seguito le notizie degli esperti di ingegneria biomedica della Pennsylvania State University (Penn State) mentre i loro progetti avanzano la bioprinting e la fabbricazione di impalcature di tessuti per creare tessuti viventi. Nel loro ultimo sviluppo, i ricercatori del Penn State’s College of Engineering hanno creato un nuovo metodo di bioprinting che utilizza l’aspirazione di piccoli biologici – come sferoidi, cellule e filamenti di tessuto – per posizionarli con precisione in modelli 3D, sia su impalcature o senza, per creare tessuti artificiali con proprietà naturali.
Il metodo, chiamato bioprinting con aspirazione assistita (AAB), consente la raccolta e la bioprinting di prodotti biologici in 3D sfruttando il potere delle forze di aspirazione. In combinazione con la bioprinting a microvalvola, ha facilitato diversi schemi di biofabbricazione, tra cui bioprinting basato su impalcature o senza impalcature con una precisione di posizionamento senza precedenti.
I ricercatori di Penn State hanno pubblicato un articolo sul loro lavoro di ingegneria dei tessuti, intitolato ” Bioprinting assistito dall’aspirazione per un posizionamento preciso dei prodotti biologici “, sulla rivista Science Advances , in cui Ibrahim T. Özbolat, co-autore e professore associato di ingegneria di Hartz Family Career Development Science and Mechanics e il suo team hanno utilizzato il loro nuovo metodo AAB insieme alla tradizionale stampa a micro-valvole per creare tessuti omogenei e tessuti contenenti una varietà di cellule.
“Gli sferoidi tissutali sono stati sempre più utilizzati come elementi costitutivi per la fabbricazione dei tessuti, ma la loro precisa bioprinting è stata una grande limitazione”, ha dichiarato Özbolat. “Inoltre, questi sferoidi sono stati principalmente bioprintati in maniera priva di impalcature e non potevano essere applicati per la fabbricazione con un’impalcatura”.
L’uso delle impalcature è necessario per molte applicazioni nella medicina rigenerativa e nell’ingegneria dei tessuti e anche nella fabbricazione di sistemi microfisiologici per la modellizzazione delle malattie o lo screening dei farmaci. Le impalcature svolgono un ruolo importante nella creazione di un ambiente 3D per indurre la formazione di tessuti ; infatti, si ritiene che l’applicazione di materiali per impalcature insieme alle tecnologie delle cellule staminali possieda un enorme potenziale di rigenerazione dei tessuti.
Secondo Penn State, AAB utilizza la potenza dell’aspirazione per spostare piccoli sferoidi microscopici. Suggerendo che, proprio come si potrebbe raccogliere un pisello posizionando una cannuccia su di esso e succhiandolo attraverso la cannuccia, AAB raccoglie lo sferoide tissutale, mantiene l’aspirazione sullo sferoide fino a quando non viene posizionato esattamente nella posizione corretta, quindi rilascia esso.
“Naturalmente, dobbiamo aspirare delicatamente gli sferoidi in base alle loro proprietà viscoelastiche, quindi non si verificano danni nel trasferimento degli sferoidi sul substrato di gel. Gli sferoidi devono essere strutturalmente intatti e biologicamente vitali “, ha spiegato Özbolat. “Abbiamo dimostrato per la prima volta che controllando la posizione e la distanza tra gli sferoidi possiamo mediare la germinazione capillare collettiva”.
Sembra che controllando l’esatto posizionamento e il tipo di sferoide, i ricercatori sono stati in grado di creare campioni di tessuti eterocellulari – quelli contenenti diversi tipi di cellule – oltre a creare una matrice di sferoidi con germinazione capillare nelle direzioni desiderate. Inoltre, descrivono i capillari come necessari per la creazione di tessuti che possono crescere e continuare a vivere, quindi sono un mezzo per fornire ossigeno e sostanze nutritive alle cellule, senza le quali le cellule morirebbero. Senza capillari, solo le cellule più esterne riceveranno ossigeno e sostanze nutritive.
Penn State ha precisato che il posizionamento preciso degli sferoidi consente anche la creazione di tessuti eterocellulari come l’osso e che, iniziando la loro indagine con cellule staminali mesenchimali umane, i ricercatori hanno scoperto che le cellule si sono differenziate e si sono auto-assemblate.
Nel documento, gli investigatori descrivono come hanno modificato MakerBot Replicator 1 (che costa meno di 1000 dollari) per sviluppare la nuova piattaforma AAB, che gestisce una pipetta di vetro su misura che viene utilizzata per “raccogliere” prodotti biologici e bioprint 3D in o su un substrato di gel. La testa di estrusione di MakerBot è stata rimossa e un supporto per una pipetta e due teste di microvalvole sono stati stampati in 3D utilizzando una stampante 3D Ultimaker 2 . L’AAB è stato accoppiato con microvalvole per la bioprinting basata su goccioline di idrogel funzionali o sacrificali. E per bioprintare gli sferoidi su un idrogel sacrificale (come l’alginato), sono stati utilizzati processi di bioprinting a microvalvola e reticolazione aerosol. Per controllare lo stadio di movimento 3D, è stata integrata una tavola per frullati Uberlock .
La piattaforma AAB, in cui micro-valvole e una testa di pipetta personalizzata erano integrate sulla testa di stampa (Immagine: Bugra Ayan, Penn State)
Oltre agli sferoidi, Özbolat ha suggerito che potrebbero esserci anche altri usi per questo sistema. In effetti, altre cellule viventi e elementi costitutivi dei tessuti potrebbero trarre vantaggio da questo metodo, inclusi elettrociti di anguilla elettrica e filamenti di tessuto che possono essere bioprintati per una vasta gamma di applicazioni, come ingegneria dei tessuti, medicina rigenerativa, test antidroga e farmaceutica, modellizzazione delle malattie , sistemi microfisiologici, biofisica e biocomputer.
In realtà, la capacità di produrre tessuti viventi artificiali è preziosa in aree al di fuori della medicina rigenerativa. Spesso sono necessari campioni di tessuto per testare farmaci o selezionare altri prodotti chimici; altre discipline includono: microfluidica, modelli di malattie umane in vitro , ingegneria organoide, biofabbricazione e ingegneria tissutale, biocomputer e biofisica.
Questo approccio è presentato come il primo metodo di bioprinting che consente la bioprinting ad alta precisione di sferoidi sia in maniera priva di impalcature sia basata su impalcature. Con questa bioprinter su misura, i ricercatori hanno affermato di essere in grado di sfruttarla per molteplici applicazioni, poiché ritengono che il posizionamento preciso degli sferoidi possa essere fondamentale anche per applicazioni come la costruzione di dispositivi organ-on-a-chip in cui la vicinanza di gli sferoidi tra loro o un canale di perfusione possono essere cruciali per la vitalità e la funzione degli sferoidi, nonché per la robustezza del sistema sviluppato.
Il documento propone che “organoidi o sferoidi sono attualmente caricati utilizzando approcci manuali, che possono ridurre la ripetibilità delle misurazioni dei risultati del sistema (come l’insulina misurata nei mezzi di perfusione circolanti in un modello pancreas-on-a-chip)” Mentre AAB propone “una strategia più efficace, sfruttando una piattaforma di bioprinting tissutale semplice da usare, economica e riproducibile”.
Secondo i ricercatori del progetto, che è stato supportato dalla National Science Foundation , dal National Institutes of Health e dal Penn Research’s Materials Research Institute , il sistema ha ancora bisogno di miglioramenti per stampare sferoidi ad alto rendimento per creare tessuti più grandi in un tempo più breve. In realtà, la fabbricazione di tessuto scalabile è uno degli aspetti più importanti di molte iniziative di ricerca sulla bioprinting. Per creare in futuro costrutti di tessuto scalabili e strutturalmente stabili, metodi personalizzati di bioprinting come questo possono aiutare ad eliminare alcuni blocchi stradali sul campo. Ci sono alcuni notevoli progressi nel bioprinting e siamo entusiasti di saperne di più su di loro, nonché delle sfide che i ricercatori stanno affrontando per rendere questo nuovo campo uno dei più rilevanti e necessari per far avanzare i trattamenti medici ideali, così come molte altre discipline.
