Ingegneria dei tessuti della cartilagine mediante caratterizzazione e applicazione di bioink a base di carbossimetil chitosano
I ricercatori internazionali continuano la tendenza nell’esplorazione dei biomateriali naturali per la bioprinting, illustrando in dettaglio le loro scoperte nel recente pubblicato ” Caratterizzazione e applicazione del bioink a base di carbossimetil chitosano nell’ingegneria dei tessuti della cartilagine “.
Esaminando il chitosano come ingrediente per il bioink nell’ingegneria dei tessuti della cartilagine, gli autori affrontano le sfide precedenti nell’uso complessivo degli inchiostri stampabili, insieme alla difficoltà di sostenere le cellule nell’ambiente di laboratorio. Tale materiale è stato descritto in studi di stampa 4D , insieme alla sperimentazione in bioprinting con idrogel di chitosano-gelatina .
La reticolazione chimica è stata anche utilizzata da molti team di ricerca, impiegando sostanze chimiche come glutaraldeide, formaldeide e carbodiimmide; tuttavia, molti di questi agenti hanno un’alta tossicità, che porta a reazioni negative. Poiché il chitosano è un polisaccaride naturale, viene utilizzato più spesso nelle applicazioni di bioprinting.
Diagramma schematico di preparazione e stampa dell’idrogel. (a) Primo passo: chitosano che reagisce con EDTA, gruppi carbossilici non reagiti (verde) prendono parte al passaggio successivo. (b) Secondo passaggio: il chitosano aggiuntivo viene aggiunto alla soluzione e reticolato con la soluzione CaCl2 dopo la stampa per formare idrogel. (c) Metodo di stampa dell’idrogel.
Per questo studio, i ricercatori si sono concentrati sull’ingegneria dei tessuti della cartilagine, alla ricerca di modi per rigenerare le cellule:
“Le caratteristiche del chitosano sono simili a quelle dell’acido ialuronico e dei glicosaminoglicani che sono ampiamente distribuiti nella cartilagine nativa, e i prodotti degradati del chitosano sono coinvolti nella condrificazione”, hanno affermato i ricercatori. “Tuttavia, la debole proprietà meccanica del chitosano incontaminato ha limitato il suo ulteriore utilizzo nella rigenerazione della cartilagine e la scarsa solubilità in acqua ostacola l’uso su larga scala.”
Per superare gli ostacoli per lo sviluppo di materiali con chitosano, gli autori hanno sviluppato l’inchiostro con “proprietà meccaniche migliorate”, consentendo loro di stampare modelli di idrogel per la bioprinting della cartilagine. Basandosi sul carbossimetil chitosano, gli idrogel erano opportunamente integrati.
Bioink è stato creato con metodi sia pneumatici che a pistone (Hkable 3D):
“Al fine di mantenere la continuità della linea di idrogel stampata e prevenire l’intasamento dell’estrusore, il diametro dell’ago utilizzato per la stampa 3D in questo lavoro era di 0,5 mm, la pressione dell’aria era controllata da un regolatore preciso affilato e fissata a 110 psi, e la velocità di traslazione dell’estrusore è stata impostata su 300 mm / min. ”
Campioni stampati con chitosano diverso: rapporti di chitosano (CE) modificati. Le immagini a sinistra, dall’alto verso il basso, mostrano un bioink altamente viscoso che si traduce in una stampa discontinua, un bioink altamente viscoso stampato con un ago di grande diametro che risulta in una stampa imprecisa e un bioink a bassa viscosità incapace di mantenere la sua forma dopo la stampa. L’immagine a destra mostra un’accurata struttura stampata con un chitosano: rapporto CE di 90: 10.
Nello studio sono stati valutati quattro campioni di bioink, rispetto al peso della polvere CE mantenuto uguale per tutti ma la quantità di chitosano aggiunto è stata variata. La sperimentazione ha rivelato che maggiori quantità di CE hanno causato un modulo di stoccaggio e perdita più elevato, poiché si è rivelato anche il principale fattore di miglioramento della forza.
(a) Memoria e (b) modulo di perdita di chitosano / idrogel CE. Testati quattro rapporti coniugati Chitosan / CE. (c) Modulo di stoccaggio (G ′) e modulo di perdita (G ″) del bioink in funzione del tempo di reticolazione. Le linee continue rappresentano 45 min di reticolazione e le linee tratteggiate rappresentano 30 min di reticolazione. La soluzione di CaCl2 (1 M) viene utilizzata come agente reticolante
Effetto della concentrazione del reticolante sulla retrazione e l’aspetto del gel. Immagini di dischi di idrogel reticolati con (a) 0,1 M, (b) 0,5 M, (c) 1 M e (d) 2 M CaCl2 soluzione. Le immagini in alto in ogni set rappresentano il precursore del gel prima della reticolazione finale e le immagini in basso rappresentano il gel risultante dopo la reticolazione. Il rapporto coniugato chitosano / CE dei campioni mostrati è 90: 10 e il tempo di reticolazione è di 45 minuti per tutti i campioni.
(a) Colorazione viva / morta dei condrociti. (b) Risultato della citometria a flusso della vitalità cellulare nel gruppo di controllo. (c) Risultato della citometria a flusso della vitalità cellulare nel gruppo mesh di idrogel. (d) Quantificazione della vitalità cellulare in entrambi i gruppi. Barra della scala = 100 μm.
Nel complesso, il bioink ha mostrato stabilità e proprietà meccaniche richieste sia per la gelificazione rapida sia per la precisione nella bioprinting.
“Secondo i risultati della reologia e dei test meccanici, le proprietà viscoelastiche del bioink e la resistenza meccanica sono regolabili regolando le proporzioni dei componenti che forniscono una piattaforma per espandere l’applicazione del bioink nell’ingegneria dei tessuti”, hanno concluso gli autori.
“Inoltre, gli studi sulle cellule con condrociti mostrano che il bioink è biocompatibile e supporta la proliferazione cellulare e aiuta le cellule a conservare il loro fenotipo condrogenico. I nostri risultati dimostrano che il bioink sviluppato ha il potenziale per essere adottato per la bioprinting 3D di scaffold per l’ingegneria dei tessuti “.