I RICERCATORI DELL’UNIVERSITÀ DI OXFORD AVANZANO LA RISOLUZIONE DI UNA SINGOLA GOCCIA PER CREARE TESSUTI SINTETICI FUNZIONALI STAMPATI IN 3D
I ricercatori dell’Università di Oxford hanno utilizzato la stampa 3D per migliorare il processo di bioprinting 3D con risoluzione a goccia singola, consentendo loro di creare tessuti sintetici con maggiore precisione.
L’ottimizzazione dell’angolo di contatto (IBDIB) tra una coppia di goccioline è risultata fondamentale per consentire il posizionamento preciso di centinaia di goccioline di dimensioni picolitre all’interno di reti multistrato. La tecnica potrebbe consentire la fabbricazione di tessuti sintetici complessi in cui compartimenti posizionati con precisione svolgono compiti coordinati, come vescicole unilamellari giganti adesive o compartimenti proteici.
L’uso della stampa 3D per creare reti di goccioline collegate da doppi strati di interfaccia è un metodo consolidato per la produzione di tessuti sintetici, ma la sua funzionalità si basa su strutture ordinate con precisione. Secondo i ricercatori, la precisione e la coerenza di queste formazioni sono attualmente limitate, il che limita gli intricati disegni e la complessità delle funzioni che i tessuti sintetici sono in grado di svolgere. Inoltre, in passato sono state prodotte reti di goccioline utilizzando posizionamento meccanico e microfluidica, ma l’automazione e la scalabilità della stampa 3D hanno reso l’approccio più efficiente.
Utilizzando l’ispirazione di poliedri che riempiono lo spazio in natura come i favi creati dalle api, il team di ricerca ha esaminato le proprietà e le prestazioni risultanti dalle molecole imballate in strutture cristalline. Il loro approccio era sommariamente basato sull’impacchettamento controllato controllato di sfere deformabili, che avrebbero usato per creare tessuti che imitassero le strutture e le funzioni complesse e cooperative della carne vivente. Queste reti di goccioline delle dimensioni di un picolitro sono desiderabili perché offrono i vantaggi di compartimentalizzazione discreta, connettività intrinseca e comunicazione tra subunità.
I doppi strati di interfaccia delle goccioline (DIB) formano la base delle reti e vengono creati quando due goccioline acquose in olio vengono unite e formano un doppio strato all’interfaccia gocciolina-gocciolina. Quando questi liquidi sono confezionati insieme in 3D, ognuno di essi crea contatti multipli (formando DIB con i suoi vicini), con conseguente deformazione delle goccioline sferiche in poliedri. Al fine di costruire una tale rete 3D, è fondamentale comprendere i parametri che dirigono la deformazione dell’imballaggio e delle goccioline e quindi influenzano la risoluzione e la fedeltà della stampa.
Il team di ricerca ha ipotizzato che percorsi di segnalazione a livello di singola goccia sarebbero fattibili se i tessuti sintetici potessero essere modellati alla risoluzione di una singola goccia. Identificando la composizione dei liquidi e l’angolo di contatto come fattori determinanti nel processo, i ricercatori hanno scoperto che in optimalDIB ottimale, le goccioline potrebbero formare reticoli esagonali ravvicinati.
Usando una stampante 3D su misura, i ricercatori di Oxford hanno costruito reti di goccioline 3D che comprendono centinaia di goccioline acquose di dimensioni picolitre (PBS, diametro di 100 µm, volume di 24524 pL). Per formare una rete, 224 goccioline sono state generate automaticamente con una frequenza di espulsione di 0,5 s − 1 e posizionate riga per riga, strato per strato. Dopo aver analizzato 129 reti stampate, il team di ricerca ha stabilito due accordi di imballaggio regolari prevalenti che hanno classificato come “esagonali” e “quadrati” ed erano adatti per la creazione di reticoli 3D.
Il team di ricerca di Oxford ha scoperto che le reti stampate in 3D sono diventate reticoli hcp quando il DIB nelle coppie di goccioline si avvicinava all’angolo critico derivato geometricamente (θc) di 35.3 °. Le deviazioni da quell’angolo hanno portato a reticoli che erano troppo impaccati o compressi e deformati strettamente, con una maggiore quantità di difetti. Anche l’imballaggio regolare del primo strato è risultato critico per l’integrità strutturale del reticolo poiché un disallineamento avrebbe portato a difetti negli strati superiori.
Un migliore controllo delle reti ha permesso ai ricercatori di creare progetti tubolari più complessi e costruire carne sintetica contenente due percorsi conduttivi a goccia singola. Il tessuto ha funzionato come una prova del concetto, ma secondo il team di ricerca, il processo potrebbe essere ulteriormente migliorato mediante fasi di “ricottura” dopo il processo di stampa o templando il reticolo di imballaggio delle goccioline utilizzando superfici modellate. Inoltre, i ricercatori di Oxford ritengono che i vantaggi automatici della stampa 3D rispetto ad altri metodi di produzione rendano la tecnologia facilmente scalabile.
La tecnica potrebbe essere applicata nella costruzione precisa di strutture stampate in 3D contenenti cellule eucariotiche e procariotiche per studiare lo sviluppo dei tessuti, l’ecologia cellulare e i modelli di malattia. La modellatura e l’imballaggio precisi forniscono anche la base per interfacciare con precisione i costrutti sintetici stampati in 3D con i tessuti viventi, offrendo nuovi mezzi per monitorare, controllare o integrare la funzione biologica.
Produzione sintetica di tessuti sintetici
OxSyBio , una società nata dall’Università di Oxford, ha sviluppato tecniche di bioprinting simili dal 2014 e è riuscita a raccogliere 10 milioni di sterline in finanziamenti per la sua ricerca nel marzo 2018. Avendo sviluppato la propria bioprinter 3D l’anno prima, l’ambizione del business doveva creare tessuto prodotto additivo per applicazioni chirurgiche.
Ricercatori di altre istituzioni hanno anche tentato di perfezionare il processo di bioprinting, tra cui un team dell’Università dell’Illinois a Chicago (UIC) che ha sviluppato un processo di bioprinting 3D senza impalcature nel giugno 2019. I costrutti solo cellulari potevano essere stampati in forme complesse e costruito utilizzando diversi tipi di cellule, senza un supporto di idrogel o un ponteggio tradizionale per stabilizzarli.
Nel maggio 2018, un gruppo di ricercatori dell’Università della California, Los Angeles (UCLA) ha sviluppato la propria bioprinter 3D che utilizzava una nuova tecnica di stampa 3D . Utilizzando un chip microfluidico, il sistema è stato in grado di stampare in modo efficiente più materiali in un unico processo e accelerare la velocità di deposizione della tecnologia di estrusione del materiale.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Imballaggio controllato e risoluzione di goccioline singole di tessuti sintetici funzionali stampati in 3D “, pubblicato il 30 aprile 2020 sulla rivista Nature Communications . La ricerca è stata scritta da Alessandro Alcinesio, Oliver J. Meacock, Rebecca G. Allan, Carina Monico, Vanessa Restrepo Schild, Idil Cazimoglu, Matthew T. Cornall, Ravinash Krishna Kumar e Hagan Bayley.
