Sviluppo di un nuovo sistema di bioprinting: Bioprinter, Bioink, Caratterizzazione e Ottimizzazione

Lo studente di tesi della Brigham Young University si concentra sullo sviluppo di nuovi bioprinter, inchiostri, ottimizzazione dei parametri.
Chandler Alan Warr ha recentemente presentato una tesi alla Brigham Young University , delineando un focus completo sulla bioprinting in ” Sviluppo di un nuovo sistema di bioprinting: Bioprinter, Bioink, Caratterizzazione e Ottimizzazione “.

L’obiettivo di Warr nello studio era sviluppare un intero sistema di bioprinting, includendo non solo la stampante stessa ma anche i materiali (bioink) e un sistema di feedback. L’accessibilità economica era un requisito importante, insieme alla vicinanza con un laboratorio di ricerca. Alla fine, Warr e il suo team di ricerca hanno utilizzato una normale stampante 3D e l’hanno personalizzata per le loro esigenze, utilizzando parti stampate in 3D e una scheda madre di nuova concezione, con un “grande contributo” da parte della Carnegie Mellon University .

I ricercatori sono stati in grado di migliorare in modo significativo le capacità di stampa dell’hardware iniziale, oltre a creare il proprio bioink e un sistema di feedback con un Raspberry Pi e un modello di telecamera per il monitoraggio live. Il team ha inoltre creato un nuovo protocollo per l’ottimizzazione dei parametri durante la bioprinting, tramite software di slicing open source.

“L’industria biomedica ha prodotto diverse stampanti con comprovate capacità nella stampa di una varietà di materiali”, ha spiegato Warr. “Queste stampanti vanno da $ 10.000 a oltre $ 200.000 per bioprinter industriali e generalmente hanno una risoluzione dimensionale del motore di circa 1 µm. Tuttavia, sta diventando sempre più popolare modificare le tradizionali stampanti desktop 3D per consentire l’estrusione della siringa e adattarle ulteriormente alle varie esigenze di reticolazione che possono verificarsi a seconda del bioink utilizzato. “

In questo caso, il team ha finito per acquistare una stampante 3D FlashForge Creator Pro , che era esponenzialmente meno costosa, e la modifica per scopi di bioprinting. Come ulteriore vantaggio, hanno anche scoperto che le capacità iniziali della stampante erano preziose per loro e non volevano rinunciare a nessuna di quelle funzioni.

“Abbiamo quindi deciso di provare a trovare un modo per mantenere entrambe le schede madri montate e poter passare da una all’altra quando volevamo fare la stampa 3D in plastica o la bioprinting”, ha spiegato Warr. “Per risolvere questo problema, abbiamo trovato una soluzione che coinvolge un ampio array di interruttori che commuterebbe i cavi di segnale che vanno ai motori da una scheda all’altra e l’alimentazione a ciascuna scheda.”

Dopo aver apportato le modifiche, la stampante 3D era completa sia elettricamente che meccanicamente; tuttavia, mentre stavano valutando cosa fare dell’estrusore, un’altra bioprinter fu assegnata al loro laboratorio sotto forma di una MatrixBioprinter, funzionante sullo stesso tipo di scheda madre: un Duet WiFi. Hanno iniziato a utilizzare questa bioprinter anche durante lo studio poiché era meno complicato spostarsi, ma c’era ancora il problema dell’estrusore in FlashForge da risolvere, risolto con un piccolo inserto di plastica che offriva la possibilità di stampare con siringhe di plastica.

Nel creare il loro bioink, Warr e il suo team hanno esaminato le ricerche precedenti, stabilendo con grande interesse un metodo adatto per un substrato di supporto. Mentre la sospensione incorporata reversibile a forma libera di idrogel (FRESH) era allettante per loro, Warr ha spiegato che hanno anche trovato un processo impegnativo. Tuttavia, non si sono arresi, e non solo Warr e gli altri ricercatori hanno imparato a creare il liquame, ma hanno scoperto che ha funzionato “molto bene” per loro, producendo risultati buoni e “coerenti”.

Hanno anche sperimentato l’uso dell’alginato nel processo di bioprinting per alcuni mesi, costituito da una concentrazione del due percento che forma un guscio di alginato che ha comportato la necessità di calcio aggiuntivo.
“Un problema che è apparso evidente è stato il fatto che l’alginato si gonfia quando è reticolato e che il rapporto di gonfiore cambia a seconda della concentrazione di alginato. Questo è uno dei motivi per cui abbiamo iniziato a esaminare altri bioink o miscele che avrebbero fornito proprietà che potrebbero essere adattate alle nostre esigenze “, ha detto Warr.

Più tardi nello studio, hanno iniziato a sperimentare il collagene; tuttavia, a causa della mancanza di esperienza nella purificazione del collagene e di attrezzature aggiuntive che non erano in bilancio per il loro laboratorio, i ricercatori hanno deciso di intraprendere la via “non convenzionale” di creare un bioink ECM decellularizzato (dECM) come un “agglomerato” di molti delle ricerche precedenti hanno studiato.

Verso la fine dello studio, i ricercatori sono stati in grado di creare parametri ottimizzati, insieme allo sviluppo di due resine per l’ingegneria dei tessuti che possono essere utilizzate anche con Lab-on-a-chip.

“Per continuare questo lavoro, uno dei prossimi passi necessari sarà testare la citotossicità e la capacità del bioink dECM di consentire la proliferazione cellulare”, hanno concluso i ricercatori. “Il bioink dovrà essere sterilizzato in modo affidabile e testato con le cellule per vedere come crescono e se è necessario apportare ulteriori modifiche. A seguito di questi test cellulari, la stampa di una rete vascolare sarebbe un punto di riferimento importante.

“Un’altra strada del lavoro futuro riguarda la modellizzazione del processo di bioprinting. Ciò potrebbe consistere nella modellazione del bioink che viene estruso nel substrato e nella successiva 64 diffusione del bioink prima della reticolazione. Lo slicing di un modello CAD desiderato potrebbe quindi essere ottimizzato e i parametri di slicing modificati che consentirebbero l’estrusione modellata del bioink per produrre la struttura desiderata. Ciò ottimizzerebbe veramente la risoluzione delle bioprinter e consentirebbe ai ricercatori di vedere dove si trova il limite della risoluzione. “