Tesi dell’Università dell’Oklahoma State: Bioprinting Neural Tissue with Chitosan-Gelatin Hydrogels
Kevin Roehm dell’Oklahoma State University sta studiando l’uso di nuovi materiali e strutture per la bioprinting di successo. Le sue scoperte sono delineate nella sua tesi recentemente pubblicata, ” Bioprinting Cell Laden Structures with Chitosan-Gelatin for Neural Tissue Applications “.
In questi giorni la bioprinting ha superato la fase di offrire “potenziali”, con numerosi impianti chirurgici stampati in 3D che aiutano i pazienti a condurre una buona qualità della vita e, in alcuni casi, a salvarsi la vita. Negli Stati Uniti, circa un miliardo di individui soffre di condizioni neurologiche e Roehm sottolinea che esiste un bisogno preciso di strumenti migliori per studiare malattie difficili come l’Alzheimer, nonché condizioni come l’emicrania. Roehm spiega anche che molti interventi chirurgici vengono eseguiti ogni anno per riparare i nervi ma che nel tessuto neurale si riscontra una “scarsa capacità di riparazione”.
“Combinato c’è un significativo bisogno di tessuti sintetici, 3D che utilizzano cellule umane sia per i modelli in vitro che per le applicazioni rigenerative”, afferma Roehm.
Le sfide tipiche della bioprinting includono problemi materiali come la ricerca o la creazione di bioink stabili che siano anche stabili in condizioni adatte. Mantenere vive le cellule è l’altro problema urgente, in quanto potrebbero esserci difficoltà nella stabilizzazione dei gel, nella gestione delle impostazioni operative e nello stress da taglio. L’autore comprende la necessità di gel di idrogel reticolati con agenti appropriati e in grado di gelificare allo stato solido:
“Propongo di utilizzare idrogel di chitosano-gelatina-beta-glicerofosfato (2GP), che mostrano termogelazione a temperatura fisiologica (la gelificazione avviene quando la temperatura viene aumentata a 37 ° C). Il mio lavoro si concentra sull’esplorazione della stampabilità e della risoluzione ottenibile di un idrogel che ha un meccanismo di gelazione unico e non richiede la post-elaborazione “, afferma Roehm.
Come sottolinea Roehm, la bioprinting deve ancora affrontare molte sfide e la tecnologia utilizzata per stampare le celle deve affrontare problemi come il calore (la stampa FDM 3D uccide le cellule) e la mancanza di vitalità complessiva (in uso di SLS o SLA). Anche la bioprinting laser assistita (LAB) è una scelta, ma la portata è solitamente troppo bassa, la tecnologia è costosa e il processo è complessivamente più scomodo.
Con la stampa a getto d’inchiostro, la biostampa è possibile con gli idrogel, ma di nuovo ci sono problemi con la vitalità cellulare:
“Questa tecnologia richiede un agente di reticolazione per solidificare il materiale stampato e gli inchiostri devono essere non vischiosi (meno di 10 centipoise) prima dell’espulsione. Inoltre, vi è la preoccupazione che i sistemi di espulsione piezoelettrici utilizzati nelle stampanti a getto d’inchiostro potrebbero ridurre gravemente la vitalità delle cellule. Questo problema è aumentato dalla difficoltà di stampare goccioline ad alta densità cellulare. Tuttavia, sono attraenti perché sono economici e veloci “.
La bioprinting è ovviamente un processo estremamente complesso, specialmente se si considera che l’obiettivo finale di tanti scienziati è quello di iniziare a stampare gli organi umani in laboratorio. Per il successo nel bioprinting, tuttavia, gli inchiostri devono essere non tossici e in grado di trasformarsi da liquido a solido senza minacciare la sostenibilità delle cellule viventi. Gli idrogel sono intrinsecamente deboli, ma poiché sono così simili ai tessuti molli, l’autore sottolinea che l’imitazione della loro struttura produce ancora un successo maggiore.
“La resistenza meccanica del nostro idrogel può essere regolata per adattarsi alle proprietà meccaniche del tessuto variando la concentrazione di polimero e aggiungendo agenti di reticolazione come l’acido ialuronico e la transglutaminasi”, afferma Roehm. “Finora, i membri del nostro laboratorio hanno abbinato il nostro idrogel sia alla cartilagine che al tessuto cardiaco.”
L’idrogel di gelatina-chitosano-β-glicerofosfato si è dimostrato “favorevole all’adesione di vari tipi di cellule” e non richiede la post-elaborazione. I ricercatori hanno scoperto che sia la stabilità che le proprietà meccaniche possono essere manipolate, se necessario, dalla gelatina reticolante. Le strutture CG hanno mostrato “alta redditività” anche dopo cinque giorni.
Un bioprinter utilizzato in questo studio era un kit di piattaforma di movimento donato da Maker’s Tool Works (Oklahoma City), con codice Python personalizzato scritto per la modellazione; tuttavia, Roehm ha scoperto che la sua stampante personalizzata a basso costo era perfetta per il lavoro:
“I miei risultati mostrano che la mia stampante è adatta alla valutazione iniziale di nuovi inchiostri in cui un sistema più costoso rappresenta un rischio eccessivo. Il nostro idrogel CG non è stato precedentemente studiato come inchiostro bioprinter e non ha giustificato investimenti significativi in tecnologia senza valutare la sua idoneità come inchiostro. Il nostro sistema ha permesso che la valutazione fosse condotta senza investimenti rischiosi in tecnologie più costose. “
Roehm sottolinea che mentre la maggior parte della ricerca sulla bioprinting si concentra oggi sulla sostenibilità e sulla vitalità delle cellule, non è stata posta abbastanza attenzione sulla risposta cellulare come una diversa area di esame.
“Tuttavia, vi è una comprensione molto limitata di come la bioprinting modifica la risposta cellulare; alcuni ritengono che l’alta vitalità dia una funzione normale e una risposta di stimolo inalterata. Inoltre, la maggior parte degli inchiostri richiede fasi di post-elaborazione per stabilizzare l’inchiostro che potrebbe danneggiare le cellule o alterarne la funzione “, conclude Roehm. “Questo lavoro dimostra un idrogel che non richiede post-elaborazione e indica che l’alta vitalità non implica una risposta stimolata inalterata”.
