In che modo il “crosslinking modulato a congelamento” può migliorare la criostampa 3D
In un articolo pubblicato di recente sulla rivista Bioprinting , i ricercatori hanno discusso di un metodo di reticolazione per la criostampa 3D e della sua idoneità per la reticolazione a modulazione di congelamento.
Negli ultimi dieci anni, la biostampa 3D, nota anche come stampa di materiale riempito di cellule o fisiologicamente significativo, ha compiuto notevoli progressi ed è ora una tecnica di produzione comune per l’ingegneria dei tessuti. Un bioinchiostro comune per la biostampa 3D basata sull’estrusione, l’alginato di sodio, ha una grande biocompatibilità ed è poco costoso.
La stampa con bioinchiostri di alginato presenta notevoli problemi di tempo e velocità di reticolazione. Una tecnica nota come “criostampa 3D” o “criobiostampa 3D” utilizza temperature sotto lo zero per congelare/solidificare il bioinchiostro mentre viene depositato al fine di creare oggetti complessi da bioinchiostri morbidi come l’alginato.
Mentre i biomateriali morbidi possono essere impiegati in strutture dure criostampate in 3D, è difficile scongelare queste strutture rigide e congelate in scaffold per l’utilità nell’ingegneria dei tessuti. Poiché l’oggetto è congelato, non è stato possibile utilizzare molte tecniche di reticolazione popolari utilizzate per la biostampa 3D. La reticolazione interna ha lo svantaggio che il bioink può essere estruso tramite l’ugello solo per un breve periodo di tempo prima che diventi molto viscoso. Ci sono ancora poche opzioni per la reticolazione di elementi criostampati in 3D, quindi l’innovazione in quest’area potrebbe migliorare notevolmente la tecnologia.
In questo studio, gli autori hanno discusso un metodo per la reticolazione di oggetti congelati realizzato mediante criostampa 3D, chiamato reticolazione a modulazione di congelamento. Gli articoli congelati sono stati scongelati in un fluido reticolante a una velocità di fusione regolata durante la reticolazione modulata per congelamento in modo che la reticolazione avvenisse strato dopo strato e l’oggetto potesse mantenere la sua forma stampata. Per identificare i parametri termici cruciali, il processo è stato studiato utilizzando un modello matematico. Stampando una varietà di sculture in alginato multistrato, i risultati sono stati convalidati sperimentalmente.
Il team ha esaminato la tecnica di reticolazione a modulazione di congelamento per la reticolazione di oggetti criostampati in 3D. Un bioinchiostro di alginato a bassa viscosità è stato prima estruso attraverso l’ugello durante la criostampa 3D e quindi congelato mentre veniva posizionato sulla lastra di stampa. L’articolo congelato può essere conservato in un congelatore per un uso a breve oa lungo termine una volta terminata la stampa. Quando l’impalcatura è stata preparata per l’uso, è stata utilizzata la reticolazione a modulazione di congelamento per scongelare lentamente l’oggetto congelato all’interno di un bagno di reticolante mentre la sua forma originale è stata preservata. Lo scaffold è stato utilizzato anche per scopi di ingegneria dei tessuti. Al fine di reticolare gli scaffold acellulari congelati, è stata esaminata la reticolazione modulata dal congelamento.
I ricercatori hanno impiegato un’analisi adimensionale per accertare quali variabili termiche governassero il processo di reticolazione modulato dal congelamento. Mediante la stampa di diverse forme da una soluzione di alginato di sodio a una concentrazione del 2% e utilizzando la reticolazione modulata per congelamento per reticolarle in un bagno di CaCl 2 , è stato studiato quantitativamente l’impatto di questi fattori.
Osservazioni
I reticoli hanno mostrato la stessa quantità di ritiro se il bagno di reticolazione includeva il 2%, il 4% o il 6% di CaCl 2 . Anche velocità di fusione più lente, ad esempio con una temperatura del reticolante di -2 ° C, potrebbero essere utilizzate con reticolazione modulata per congelamento; tuttavia, ciò ha allungato il processo di reticolazione e non ha comportato aumenti distinguibili nell’accuratezza dell’oggetto. Pertanto, le condizioni consigliate per la reticolazione modulata dal congelamento di oggetti di alginato in CaCl 2erano una temperatura dell’oggetto iniziale di -80 °C e una temperatura del bagno di reticolazione di -0,05 °C. Rispetto agli oggetti che sono stati fusi a velocità più lente, gli oggetti che sono stati fusi più rapidamente hanno mostrato un restringimento maggiore. È stata osservata una differenza statisticamente significativa nel restringimento tra i reticoli reticolati a 20 ° C o temperatura ambiente e quelli reticolati a -0,05 ° C.
Gli oggetti stampati prodotti mediante reticolazione a modulazione di congelamento a una temperatura dell’oggetto di -80 °C e una temperatura del bagno di reticolazione di -0,05 °C assomigliavano molto quasi agli oggetti desiderati in termini di dimensioni. Le dimensioni e la forma degli oggetti non sono state influenzate statisticamente in modo significativo dalla concentrazione di CaCl 2 nel bagno di reticolazione.
Uno svantaggio dell’utilizzo di CaCl 2 per reticolare i bioinchiostri alginati è che è necessaria una piccola dimensione del campione affinché una quantità sufficiente di reticolante si diffonda nell’elemento criostampato.
Conclusioni
In conclusione, questo studio ha sviluppato una tecnica per la reticolazione di oggetti criostampati in 3D chiamata reticolazione a modulazione di congelamento e ha utilizzato un modello matematico per determinare i fattori critici di temperatura. Secondo i risultati sperimentali, questo approccio potrebbe reticolare oggetti fatti di bioinchiostri morbidi senza farli perdere la forma prevista.
I risultati hanno mostrato che questo metodo è praticabile e supporta qualitativamente ciò che il modello matematico prevedeva. L’espansione della reticolazione a modulazione congelata dei tipi di biomateriali che possono essere utilizzati per la criostampa 3D e i tipi di strutture che possono essere stampate utilizzando bioinchiostri morbidi aumentano entrambi i potenziali usi di queste tecnologie.
Gli autori hanno affermato che le potenziali applicazioni della criostampa 3D potrebbero essere aumentate analizzando metodicamente la strategia di reticolazione proposta. Gli scaffold di alginato che sono stati criostampati in 3D in strati possono essere seminati con cellule per la rigenerazione dei tessuti o colture cellulari 3D. Hanno affermato che la ricerca futura dovrà esaminare in che modo il processo di reticolazione modulato dal congelamento influisce sulla vitalità cellulare se deve essere impiegato con bioinchiostri che contengono cellule.
