GLI SCIENZIATI DELL’UNIVERSITÀ DI OSAKA SVILUPPANO UN BIOINCHIOSTRO A BASE DI FIBRE DI SETA CON UNA MIGLIORE STAMPABILITÀ
I ricercatori dell’Università giapponese di Osaka hanno sviluppato un nuovo bioinchiostro a base di fibre di seta per la fabbricazione di strutture cariche di cellule con una migliore stampabilità.
Rimuovendo la proteina sericina dalla seta vergine e macinandola in nanofibre, gli scienziati sono stati in grado di integrare il materiale in una serie di bioinchiostri infusi con cellule e polimeri. È stato scoperto che le fibre minimizzano attivamente le sollecitazioni interne poste sulle cellule durante la stampa 3D, il che ha migliorato la loro sopravvivenza e ha permesso loro di mantenere forme complesse.
Sfruttando il loro nuovo materiale di bioprinting, il team ha stampato in 3D una gamma di oggetti basati su cellule, inclusa una struttura a forma di naso, mantenendo in vita oltre l’85% delle cellule che lo compongono. Dato che il loro bioinchiostro è basato su seta compatibile con l’uomo, i ricercatori ritengono che in futuro potrebbe essere utilizzato all’interno di applicazioni biomediche del mondo reale.
“Le nostre fibre di seta sono eccellenti additivi per i supporti di stampa delle cellule bioink”, ha detto l’autore principale dello studio Shinji Sakai. “Sono compatibili con molti media, come quelli contenenti gelatina, chitosano o acido ialuronico, offrendo loro una vasta gamma di potenziali applicazioni”.
Negli ultimi anni, il bioprinting 3D ha attirato una grande attenzione come mezzo per fabbricare strutture cariche di cellule che imitano organi e tessuti funzionali. Mentre questi nuovi approcci hanno mostrato un vasto potenziale terapeutico e prodotto varie parti del corpo stampate in 3D in miniatura, la tecnologia rimane anni lontani dall’applicazione per l’uso finale.
Scienziati dell’Università del Texas a El Paso (UTEP), ad esempio, hanno stampato in 3D mini-cuori nel gennaio 2020 e li hanno inviati alla Stazione Spaziale Internazionale per i test. Altrove, un team dell’Università del Minnesota ha bioprintato un cuore umano che batte in miniatura , mentre United Therapeutics ha ristrutturato una fabbrica in quanto intende stampare reni in 3D su scala più ampia.
Molti di questi mini-organi vengono creati estrudendo un bioinchiostro carico di cellule, in un approccio strato per strato tramite un micrugello collegato a una stampante 3D. L’utilizzo di un metodo basato sull’estrusione consente la creazione di strutture complesse, con materiali che possono essere personalizzati per controllare la proliferazione e la differenziazione cellulare, ma presentano anche degli svantaggi.
Il problema con l’estrusione di bioinchiostri è che la loro stampabilità è spesso migliorata aumentando la loro viscosità, ma questo causa stress da taglio durante la stampa, che a sua volta danneggia le cellule dell’inchiostro. Per combattere questo, alcuni ricercatori hanno utilizzato nanomateriali come le nanofibre di cellulosa come additivi di supporto, che hanno dimostrato di rendere i bioinchiostri più resistenti alla stampa.
Al momento, tuttavia, molti bioinchiostri supportati da additivi devono essere personalizzati per ciascuna applicazione, il che li rende difficili da implementare su una base più ampia. In alternativa, il team di Osaka ha ipotizzato che le nanofibre di fibroina di seta (SFNF) potrebbero essere utilizzate come additivo, per produrre un bioinchiostro che migliora la vitalità cellulare, senza limitarne la compatibilità.
Sebbene il team di Osaka sia riuscito a stampare in 3D una struttura a forma di orecchio durante i test, non aveva lo stesso livello di complessità del loro “naso” additivo. Foto via the Materials Today Biojournal.
Sebbene il team di Osaka sia riuscito a stampare in 3D una struttura a forma di orecchio durante i test, non aveva lo stesso livello di complessità del loro “naso” additivo. Foto tramite la rivista Materials Today Bio.
Il biomateriale a base di seta del team di Osaka
Nella medicina moderna, la seta viene spesso utilizzata in suture, maglie chirurgiche e tessuti e sono attualmente in corso studi clinici per valutarne le capacità di guarigione delle ferite. Per accedere a queste qualità medicinali, tuttavia, la rimozione della sericina dalla seta tramite un processo di “sgommatura” è fondamentale prima dell’uso medico, poiché è stato dimostrato che la sostanza chimica è infiammatoria per i tessuti umani.
Di conseguenza, il team di Osaka ha iniziato i propri esperimenti ottenendo seta sgommata con un diametro di 100-300 nm e macinandola in acqua, ottenendo fibre di fibroina disperse. Gli estratti di seta sono stati successivamente sterilizzati e miscelati con un siero bovino fetale al 10% in volume, gelatina e una miscela di polimeri acquosi.
Una volta che la miscela del team è stata umidificata in un incubatore a CO 2 , è stata reticolata utilizzando la reazione catalizzata dalla perossidasi di rafano (HRP), per conferirle una maggiore resistenza durante la stampa. Sfruttando un sistema basato sull’estrusione, il team ha sommariamente stampato in 3D il loro nuovo materiale SFNF in diverse linee di cellule.
Non solo i nuovi bioinchiostri del team di ricerca hanno dimostrato di stampare in modo più coerente rispetto alle cellule normali, ma erano anche in grado di produrre oggetti più complessi. Il team ha continuato a fabbricare con successo strutture a forma di naso e orecchie, dimostrando infine l’efficacia degli SFNF come additivo per migliorare la stampabilità.
I ricercatori hanno anche testato la vitalità cellulare del loro bioinchiostro producendo una gamma di costrutti carichi di cellule di fibroblasti 10T1 / 2, inclusa una miscela di gel rinforzati con SFNF e strutture non supportate. Dopo un’ora, gli oggetti hanno mostrato lo stesso livello di sopravvivenza rispettivamente al 92,5% e al 92,7% e dopo nove giorni le strutture SFNF hanno vantato una vitalità cellulare superiore all’85%.
Di conseguenza, il team ha concluso che il loro additivo bioinchiostro non ha avuto effetti negativi sul tasso di sopravvivenza delle cellule nelle strutture bioprintate, dimostrando nel contempo robuste prestazioni meccaniche e facilità di lavorazione. In futuro, i ricercatori ritengono che i loro nuovi SFNF potrebbero essere utilizzati come alternativa alle fibre di cellulosa, come mezzo per migliorare il comportamento di assottigliamento al taglio dei bioinchiostri.
I risultati del team sono dettagliati nel loro documento intitolato ” Nanofibre di fibroina di seta: un promettente additivo per inchiostro per l’estrusione di bioprinting tridimensionale “. La ricerca è stata scritta in collaborazione con S.Sakai, A.Yoshii, S.Sakurai, K.Horii e O.Nagasuna e pubblicata sulla rivista Materials Today Bio.
