Studio delle strutture PCL stampate in 3D nell’ingegneria dei tessuti
I ricercatori svedesi e norvegesi stanno compiendo ulteriori progressi nell’ingegneria dei tessuti, con i loro recenti risultati pubblicati in ” Caratterizzazione computazionale e sperimentale di strutture PCL stampate in 3D verso la progettazione di scaffold per tessuti biologici molli “.
Mentre i ricercatori hanno studiato gli effetti approfonditi delle mesostrutture sulle proprietà meccaniche degli scaffold dei tessuti, hanno stampato in 3D numerosi campioni di scaffold a base di poli (ε-caprolattone) (PCL) e li hanno analizzati tramite analisi agli elementi finiti (FEA) e fluido computazionale dinamica (CFD).
Il bioprinting continua a offrire un enorme potenziale al regno medico e la ricerca sulla fabbricazione di scaffold biocompatibili, insieme a nuovi metodi per perfezionarli, è un argomento serio. Le impalcature devono imitare in modo completo la matrice extracellulare umana (ECM). Ciò significa che devono essere in grado di funzionare con proprietà eccellenti nelle seguenti aree:
Meccanico
Trasporto
chimico
Impalcature biologiche
Materiali come il poli (ε-caprolattone) (PCL) sono oggi comunemente utilizzati nella creazione di dispositivi medici e scaffold:
“Il poli (ε-caprolattone) (PCL) semicristallino è uno dei poliesteri più utilizzati grazie alla sua stabilità meccanica a lungo termine ma anche a un basso punto di fusione e all’elevata stabilità termica che consente un’ampia finestra di lavorazione in una gamma di Tecniche di stampa 3D “, affermano i ricercatori.
“Data la rigidità relativamente elevata di PCL da 300 a 500 MPa, la corrispondenza dell’elasticità dei tessuti biologici molli nativi con le impalcature stampate in 3D è impegnativa rispetto ad altre tecniche convenzionali, come la lisciviazione del sale.”
Le proprietà meccaniche possono essere regolate in vari modi, tuttavia, tramite metodi come il CAD, consentendo ai ricercatori di manipolare dimensioni, porosità e altro. È inoltre possibile utilizzare la progettazione basata su immagini, consentendo una rapida modellazione delle strutture, sebbene i materiali possano essere limitati per soddisfare le esigenze di alta risoluzione. Altri metodi alternativi come la modellazione implicita delle superfici (basandosi su equazioni matematiche) e le superfici minime periodiche triplicate (TPMS) possono essere efficaci anche nonostante gli svantaggi.
I ricercatori si sono concentrati sulle applicazioni dei tessuti biologici molli nella creazione di campioni, utilizzando i seguenti metodi per una comprensione completa delle proprietà:
FEA
CFD
Caratterizzazione materiale sperimentale
SEC
DSC
SEM
Imaging micro-CT
Nello studio degli effetti delle meso-strutture, i ricercatori hanno notato che mentre questa parte dell’impalcatura dirige anche i nutrienti, l’adesione cellulare e la deposizione di composti ECM, “resta da sviluppare una comprensione integrale delle interazioni”. Notano che la meso-struttura influenza anche la densità cellulare, a causa delle proprietà dello sforzo di taglio della parete indotto dal flusso.
“Tutti i ponteggi erano formati da nove strati e il diametro del filo di SD = 0,4 mm”, hanno affermato i ricercatori.
I campioni sono stati studiati in base ai seguenti parametri:
Orientamento del filo
Spazio Strand
Diametro del filo
Lunghezza del filo
I disegni sono stati raggruppati come segue:
Di base
Pendenza
Meso-strutture a gradiente
Meso-strutture sfalsate
“Abbiamo ottimizzato la temperatura e la velocità di stampa al fine di replicare meglio il design della meso-struttura dell’impalcatura durante la stampa. Tuttavia, anche i fattori ambientali, come la temperatura, devono essere attentamente controllati per ottenere proprietà riproducibili dell’impalcatura. Anche variazioni minori dei fattori ambientali possono portare a una solidificazione disomogenea di trefoli e altri risultati indesiderati “, hanno spiegato i ricercatori nella discussione conclusiva.
“I nostri risultati suggeriscono che la stampa 3D di strutture basate su PCL è un approccio completamente fattibile per la produzione di scaffold per tessuti biologici molli. Date le loro proprietà meccaniche e di trasporto, il design della meso-struttura GS è il candidato più promettente tra i progetti esplorati in questo studio. La funzione biologica di tali scaffold progettati dovrebbe essere ulteriormente studiata in bioreattori e / o studi in situ. “
Predizione basata sull’analisi agli elementi finiti (basata su FEA) della distribuzione della sollecitazione di von Mises nei trefoli dei ponteggi utilizzando meso-strutture di base (B), gradiente (G), gradiente e sfalsate (GS). I ponteggi sono sottoposti a compressione verticale e le immagini rappresentano lo stress nella sezione mediana; la linea tratteggiata indica la linea di simmetria. 
Proprietà meccaniche dei ponteggi con meso-strutture di base (B), gradiente (G), gradiente e sfalsate (GS). a) moduli elastici basati su analisi agli elementi finiti (basati su FEA) di ponteggi sotto compressione e tensione. (b) Relazione tra i moduli di compressione / tensione e la porosità. 
Descrizione dei progetti di impalcature studiati formati da meso-strutture di base (B), gradiente (G) e gradiente e sfalsate (GS). Abbreviazioni: SD: diametro del filo; SL: lunghezza del filo; SO: orientamento del filo; SS: spazio del filo. 
Illustrazione schematica dei disegni dell’impalcatura. (a) Unità di costruzione per le meso-strutture di base (B) e gradiente (G). (b) Unità di costruzione per la meso-struttura gradiente e sfalsata (GS). (c) Rappresentazione geometrica del dominio computazionale del bioreattore virtuale studiato mediante simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). (d) Prescrizione dello spostamento d verso il caricamento dell’impalcatura in compressione. (e) Prescrizione dello spostamento d verso il carico dell’impalcatura in tensione.