Stampa tra le righe: strutture biomateriali complesse fabbricate tramite stampa 3D (NEST3D) di modello sacrificale incorporato negativo

Ricercatori australiani stampano in 3D stampi per creare bioscaffold piccoli e intricati
 
L’ingegneria dei tessuti, che ottimizza la capacità del corpo umano di autoguarirsi per ricostruire muscoli e ossa, è una delle principali applicazioni di stampa 3D , in quanto può essere utilizzata per fabbricare gli scaffold necessari per supportare la ricrescita cellulare . Tuttavia, non è una tecnologia magica, e ci sono ancora alcuni ostacoli da superare , uno dei quali è il fatto che realizzare scaffold molto piccoli e molto complessi è estremamente difficile da realizzare. Ma un team di ricercatori della RMIT University australiana ha collaborato con i medici del St Vincent’s Hospital Melbourneper creare minuscoli, bioscaffolds intricate la dimensione delle unghie per scopi di ingegneria dei tessuti utilizzando colla e stampi 3D stampati … non si vedono molto più spesso in campo medico.

Il team ha pubblicato uno studio, ” Stampa tra le righe: strutture biomateriali complesse fabbricate tramite stampa 3D (NEST3D) di modello sacrificale incorporato negativo “, sulla loro ricerca, che ha avuto luogo presso il centro di ricerca, istruzione e formazione bioingegneria dell’ospedale BioFab3D@ACMD . Questa collaborazione interdisciplinare mostra davvero quali tipi di innovazioni sono possibili quando persone provenienti da campi diversi uniscono le loro teste per risolvere un problema.

 
“Un problema comune affrontato dai clinici è l’incapacità di accedere a soluzioni sperimentali tecnologiche per i problemi che affrontano quotidianamente. Mentre un medico è il miglior professionista per riconoscere un problema e pensare a potenziali soluzioni, gli ingegneri biomedici possono trasformare quell’idea in realtà”, ha spiegato la coautrice dello studio, la professoressa associata Claudia Di Bella, chirurgo ortopedico presso il St. Vincent’s Hospital di Melbourne.

“Imparare a parlare una lingua comune tra ingegneria e medicina è spesso una barriera iniziale, ma una volta superata, le possibilità sono infinite”.
Le stampanti 3D standard basate su estrusione in genere non sarebbero in grado di gestire questo tipo di lavoro di stampa, quindi il team ha capovolto la tecnologia. Le minuscole muffe stampate dai ricercatori presentavano complesse cavità modellate, che sono state poi riempite con materiali biocompatibili prima che le muffe venissero dissolte. Secondo il ricercatore capo Dr. Cathal O’Connell , Postdoctoral Fellow di un vice-cancelliere presso RMIT, il metodo di biofabbricazione del team ha utilizzato la tecnologia AM facilmente disponibile, che ha reso il processo scalabile ed economico.

Il Dr. O’Connell ha spiegato: “Le forme che puoi realizzare con una stampante 3D standard sono vincolate dalle dimensioni dell’ugello di stampa: l’apertura deve essere abbastanza grande da consentire il passaggio del materiale e, in definitiva, ciò influenza quanto piccolo puoi stampare.

“Ma gli spazi tra il materiale stampato possono essere molto più piccoli e molto più intricati.

“Invertendo il nostro pensiero, essenzialmente disegniamo la struttura che vogliamo nello spazio vuoto all’interno del nostro stampo stampato in 3D. Questo ci consente di creare le microstrutture minuscole e complesse in cui le cellule fioriranno”.
NEST3D stampato contro strutture cubiche stampate in FDM. Strutture NEST3D realizzate in PCL (45.000 Mn, Sigma-Aldrich, Missouri, USA) e strutture FDM stampate con PLA bianco (Ultimaker, Utrecht, Paesi Bassi). Strutture FDM stampate con supporto PVA (FormFutura, Nijmegen, Paesi Bassi). La stampa FDM ha una capacità limitata di realizzare strutture verticali ad alta risoluzione, i risultati mostrano l’ulteriore deposizione di materiale e l’effetto di cordatura.
I ricercatori usano la colla PVA come base per lo stampo stampato in 3D nel loro nuovo metodo, che hanno chiamato Negative Embodied Sacrificial Template 3D, o NEST3D, stampa. Dopo che il materiale biocompatibile iniettato nello stampo si è indurito, la struttura viene messa in acqua per sciogliere la colla, che lascia solo il bioscaffold.

“Le tecniche di stampa per estrusione sono ampiamente utilizzate nell’ingegneria dei tessuti e nei campi correlati per la produzione di strutture 3D da materiali termoplastici biocompatibili, tuttavia la complessità strutturale e la porosità ottenibili possono essere limitate dal processo di deposizione strato per strato basato su ugelli. Qui viene illustrato come superare questa limitazione attraverso una nuova tecnica denominata stampa 3D di modelli sacrificali incorporati negativi”, hanno spiegato i ricercatori nel loro studio. “È dimostrato come il modello negativo all’interno di un oggetto stampato in 3D possa facilmente descrivere geometrie estremamente difficili da stampare per estrusione direttamente con biomateriali e ad alta risoluzione. I modelli negativi in ​​un modello sacrificale solubile in acqua possono essere “sviluppati” colando in un materiale secondario e dissolvendo il modello, creazione di strutture 3D squisitamente complesse tra cui strutture dendritiche iper-ramificate e reticoli aperti con rigidità regolabili su 3 ordini di grandezza. La tecnica è suscettibile di una pletora di materiali da termoplastici biodegradabili (come policaprolattone) a resine (inclusi acrilici ed epossidici), siliconi (compresa la formulazione di polidimetilsilossano Sylgard 184), ceramiche (compresi i compositi di idrossiapatite), idrogel (compresi agarosio e gelatina metacriloile ), leghe metalliche a bassa temperatura di fusione e altri. Utilizzando una stampante di livello consumer non modificata, la stampa NEST3D raggiunge strutture di biomateriali complesse e ad alta risoluzione con potenziali applicazioni in impianti biomedici e scaffold di ingegneria dei tessuti. La tecnica è suscettibile di una pletora di materiali da termoplastici biodegradabili (come policaprolattone) a resine (compresi acrilici ed epossidici), siliconi (compresa la formulazione di polidimetilsilossano Sylgard 184), ceramiche (compresi i compositi di idrossiapatite), idrogel (compresi agarosio e gelatina metacriloile ), leghe metalliche a bassa temperatura di fusione e altri. Utilizzando una stampante di livello consumer non modificata, la stampa NEST3D raggiunge strutture di biomateriali complesse e ad alta risoluzione con potenziali applicazioni in impianti biomedici e scaffold di ingegneria dei tessuti. La tecnica è suscettibile di una pletora di materiali da termoplastici biodegradabili (come policaprolattone) a resine (compresi acrilici ed epossidici), siliconi (compresa la formulazione di polidimetilsilossano Sylgard 184), ceramiche (compresi i compositi di idrossiapatite), idrogel (compresi agarosio e gelatina metacriloile ), leghe metalliche a bassa temperatura di fusione e altri. Utilizzando una stampante di livello consumer non modificata, la stampa NEST3D raggiunge strutture di biomateriali complesse e ad alta risoluzione con potenziali applicazioni in impianti biomedici e scaffold di ingegneria dei tessuti. idrogel (inclusi agarosio e gelatina metacriloile), leghe metalliche a bassa temperatura di fusione e altri. Utilizzando una stampante di livello consumer non modificata, la stampa NEST3D raggiunge strutture di biomateriali complesse e ad alta risoluzione con potenziali applicazioni in impianti biomedici e scaffold di ingegneria dei tessuti. idrogel (compresi agarosio e gelatina metacriloile), leghe metalliche a bassa temperatura di fusione e altri. Utilizzando una stampante di livello consumer non modificata, la stampa NEST3D raggiunge strutture di biomateriali complesse e ad alta risoluzione con potenziali applicazioni in impianti biomedici e scaffold di ingegneria dei tessuti.
Come spiega la prima autrice dello studio, la ricercatrice PhD Stephanie Doyle, la stampa NEST3D consente di testare diverse combinazioni di materiali per selezionare quelle più efficaci per la crescita cellulare.

“Il vantaggio della nostra tecnica avanzata di stampaggio a iniezione è la sua versatilità. Siamo in grado di produrre dozzine di bioscaffold di prova in una vasta gamma di materiali, dai polimeri biodegradabili agli idrogel, ai siliconi e alle ceramiche, senza la necessità di una rigorosa ottimizzazione o di attrezzature specialistiche”, ha affermato Doyle.

“Siamo in grado di produrre strutture 3D che possono avere un diametro di appena 200 micron, la larghezza di 4 capelli umani e con una complessità che rivaleggia con quella ottenibile con tecniche di fabbricazione basate sulla luce.

“Potrebbe essere un enorme acceleratore per la biofabbricazione e la ricerca sull’ingegneria dei tessuti”.

Parlando di materiali, il Dr. O’Connell ha notato che mentre altri metodi AM sono in grado di creare biostrutture più piccole e più complesse, possono essere utilizzati solo materiali appositamente adattati, modificati con sostanze chimiche speciali o sintonizzati con additivi specifici. La bellezza di questo processo è la flessibilità dei materiali.

“È importante sottolineare che la nostra tecnica è abbastanza versatile da utilizzare materiali di grado medico standard. È straordinario creare forme così complesse utilizzando una stampante 3D di base per le scuole superiori. Ciò abbassa davvero l’asticella per l’ingresso nel campo e ci avvicina a un significativo passo avanti verso la trasformazione dell’ingegneria dei tessuti in una realtà medica”, ha affermato il dott. O’Connell.
Un altro vantaggio della stampa NEST3D è la sua capacità di creare bioscaffold che funzionano sia con la cartilagine che con l’osso, il che potrebbe essere un grande vantaggio per il campo dell’ortopedia.

“Il nostro nuovo metodo è così preciso che stiamo creando microstrutture specializzate per la crescita di ossa e cartilagine in un unico bioscaffold. È l’ideale chirurgico: un’impalcatura integrata in grado di supportare entrambi i tipi di cellule, per replicare meglio il modo in cui funziona il corpo”, ha spiegato il dott. O’Connell.
I ricercatori affermano che i test condotti con cellule umane utilizzando il loro nuovo metodo hanno portato a bioscaffold sicuri e non tossici. I prossimi passi includono la sperimentazione di alcuni nuovi progetti per migliorare la rigenerazione cellulare, oltre a studiare come le combinazioni di materiali biocompatibili influenzino la crescita cellulare.

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