Un team del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ha realizzato un tessuto cerebrale multistrato stampato in 3D, integrato con un sistema che misura in tempo reale l’attività neurale per oltre 27 giorni. La ricerca, pubblicata su Biosensors and Bioelectronics, punta a colmare il divario tra fedeltà meccanica del tessuto e possibilità di monitoraggio funzionale.
Modelli in vitro del cervello devono bilanciare morbidezza del supporto—per favorire crescita e connessioni—e stabilità geometrica per mantenere l’architettura nel tempo, spesso a conflitto con i requisiti di patterning fine. Il gruppo KAIST guidato dai professori Je‑Kyun Park e Yoonkey Nam propone un sistema integrato che affronta in un colpo solo struttura, allineamento e misura. Il risultato, messo in evidenza da 3D Printing Industry e dall’ufficio stampa KAIST, è un modello stratificato che mantiene contatto stabile con microelettrodi e permette di leggere segnali elettrici e calcium imaging per quasi un mese.
Molte biostampe basano la forma su bioink ad alta viscosità: sufficientemente rigidi per “stare in piedi”, ma meno favorevoli alla maturazione di reti neurali funzionali. Idrogel più soffici (meglio accoppiati alle proprietà meccaniche del cervello) sono difficili da modellare con precisione e tendono a degradare nel tempo, interrompendo il contatto con i sensori. La letteratura cita sistemi che perdono stabilità entro 14 giorni; superare questa soglia è cruciale per studiare plasticità, sinaptogenesi e effetti a lungo termine di farmaci o tossine.
Novità
La piattaforma combina tre accorgimenti:
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Capillary pinning su micromesh in acciaio inox per “trattenere” idrogel a bassa viscosità in fase di deposizione, raggiungendo risoluzione ≤ 500 μm,
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Strumento di allineamento cilindrico per impilare correttamente i layer e mantenerli in registro rispetto alla MEA (microelectrode array),
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Analisi dual‑mode: elettrofisiologia dal basso e calcium imaging dall’alto, sincronizzati.
Il costrutto usa fibrina come idrogel; neuroni sono inoculati negli strati superiore e inferiore, con strato centrale “vuoto” che facilita la proiezione assonale e la formazione di sinapsi tra i piani.
Dettagli tecnici
I test mostrano risposte simultanee dei due strati neurali a stimoli esterni e riduzione della risposta in presenza di un bloccante sinaptico, confermando che i segnali registrati derivano da trasmissione attiva attraverso connessioni formate nel costrutto. Il contatto stabile con la MEA è mantenuto per >27 giorni, oltre la tipica durata osservata in piattaforme simili. L’articolo segnala la risoluzione di stampa abilitata dalla micromesh e dalla gestione dell’interfaccia fluido‑solido; la struttura tri‑layer offre un compromesso tra semplicità e rappresentatività di fenomeni di cross‑talk tra regioni cerebrali.
Implicazioni e impatto
Una piattaforma che unisce meccanica “morbida”, stabilità geometrica e misura su tempi lunghi apre la strada a:
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Tossicologia e neurofarmacologia con letture funzionali prolungate,
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studio di malattie neurodegenerative con pattern di attività misurati nel tempo,
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valutazione di biocompatibilità e neurotossicità di materiali/impianti,
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modelli “structure–function” per capire come architettura e connettività influenzano la dinamica neurale.
La possibilità di adottare idrogel a bassa viscosità—più adatti a neuroni—senza perdere forma è un vantaggio pratico per gli enti che sviluppano organoidi e tessuti funzionali a scopo di test.
Confronto/alternative
Altri approcci alla biostampa neurale hanno privilegiato scaffold rigidi o idrogel con additivi per trattenere la forma, a costo di ambiente meccanico meno fisiologico. Tecniche orizzontali di deposizione e crosslinking (es. lavori dell’Università del Wisconsin–Madison) o patterning tramite reti lipidiche stampate (Oxford/CUHK) hanno mostrato viabilità e maturazione cellulare, ma non sempre prevedono monitoraggio elettrico a lungo termine integrato. La piattaforma KAIST si distingue per integrazione sensoriale e persistenza del contatto con la MEA oltre le quattro settimane.
Collegare architettura e funzione in un modello cerebrale stampato è un passo fondamentale per passare da osservazioni strutturali a letture fisiologiche riproducibili. Il sistema KAIST—fonte di dati elettrici e calcio‑dipendenti per 27 giorni—costituisce una base su cui costruire modelli più complessi (regioni multiple, cellule gliali, vascolarizzazione) e per screening di composti in condizioni controllate. La sfida successiva sarà scalare la piattaforma mantenendo ripetibilità e compatibilità con strumentazione di routine.
