Aalto University sviluppa un nuovo bioink per applicazioni cardiache
La Finlandia è una delle nazioni più boscose d’Europa . Oltre il 70 percento della foresta boreale del paese è ricoperta da abete rosso, pino, betulla lanuginosa e betulla d’argento. Ma al di là dello splendore dei boschi finlandesi, tutti questi alberi hanno una cosa in comune, e cioè la nanocellulosa. Una sostanza solida leggera ottenuta dalla materia vegetale che comprende nanofibrille di cellulosa (CNF) ed è considerata una pseudo-plastica che possiede la proprietà di specifici tipi di gel che sono generalmente spessi in condizioni normali. Nel complesso, è una sostanza molto ecologica e non tossica che è compatibile con il corpo umano e ha il potenziale per essere utilizzata per una vasta gamma di applicazioni mediche.
Nel 2018, il Dipartimento di Bioproducts e Biosystems presso Aalto University , che si trova appena fuori Helsinki, ha iniziato la ricerca di nuove idee per rivitalizzare uno dei motori del paese tradizionale economiche, le foreste (che sono gestite in modo sostenibile , grazie alle risorse forestali rinnovabili). All’epoca, notarono che una delle possibili applicazioni poteva funzionare con la nanocellulosa. Sono passati due anni e i ricercatori hanno escogitato una nuova formulazione di bioink lodando la nanocellulosa alla base.
Grazie alla somiglianza strutturale con le matrici extracellulari e all’eccellente biocompatibilità nel supportare attività cellulari cruciali, la bioprinting a base di nanocellulosa è emersa chiaramente per il suo potenziale nell’ingegneria dei tessuti e nella medicina rigenerativa. Le qualità della sostanza leggera generalmente spessa e fluida lo rendono un ottimo abbinamento per lo sviluppo di bioink adatti e scalabili nella loro produzione, ma che hanno anche proprietà costanti. Tuttavia, ci sono state grandi sfide nell’elaborazione di nanocellulosa .
Come descritto dai ricercatori dell’Università di Aalto in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista scientifica ACS Publication , le sfide irrisolte delle formulazioni di bioink basate su nanocellulosi sono ciò che impedisce alla sostanza di diventare uno dei componenti preferiti per le strutture di bioprinting 3D . Questo è il motivo per cui i ricercatori finlandesi si sono concentrati sullo sviluppo di un bioink monocomponente che potrebbe essere utilizzato per creare impalcature con potenziali applicazioni nei dispositivi biomedici cardiaci, affrontando fondamentalmente alcune delle limitazioni dell’uso di bioink a base di nanocellulosa.
Una coautrice dell’articolo e un dottorando presso il Dipartimento di bioprodotti e biosistemi di Aalto, Rubina Ajdary, ha dichiarato a 3DPrint.com che “oltre all’abbondanza naturale e come risorsa rinnovabile, la nanocellulosa ha dimostrato di avere prestazioni eccezionali nell’ingegneria dei tessuti. ” Ha anche suggerito che “i recenti sforzi di solito considerano l’uso della nanocellulosa in combinazione con altri biopolimeri, ad esempio in formulazioni di inchiostro multicomponente o per incapsulare nanoparticelle. Ma eravamo interessati a studiare il potenziale di impalcature stampate in 3D con nanocellulosa monocomponente che non necessitavano di reticolazione per sviluppare la forza o la solidità. “
In effetti, il gruppo di ricerca Biobased Colloids and Materials (BiCMat) dell’Università di Aalto, guidato da Orlando Rojas, ha proposto acetilazione eterogenea delle fibre di legno per facilitare la loro decostruzione in nanocellulosa acetilata (AceCNF). Come unica opportunità biomateriale nelle applicazioni di impalcature 3D, il team ha preso in considerazione l’uso di nanocellulosi grazie alla porosità naturale, facile da sterilizzare e ad alta stabilità della sostanza e ha scelto di introdurre AceCNF per la generazione di impalcature stampate in 3D per l’impianto nel corpo umano . Il team ha quindi continuato a valutare le interazioni degli scaffold con le cellule cardiache di mioblasto.
“La maggior parte delle modifiche rende gli idrogel sensibili all’instabilità dimensionale dopo la stampa 3D, ad esempio dopo l’essiccazione o la bagnatura. Questo è esacerbato se gli inchiostri sono altamente diluiti, che è tipico delle sospensioni di nanocellulosa, formando gel a basse concentrazioni ”, ha continuato Ajdary. “Questa instabilità è uno dei motivi principali per cui la nanocellulosa è principalmente combinata con altri composti. Invece, in questa ricerca, proponiamo acetilazione eterogenea delle fibre di legno per facilitare la loro decostruzione in nanocellulosa acetilata per la scrittura diretta di inchiostro. Una carica superficiale più elevata di nanocellulosa acetilata, rispetto alla nanocellulosa nativa, riduce l’aggregazione e favorisce la ritenzione della struttura dopo l’estrusione anche in una concentrazione significativamente inferiore. “
Questo è esattamente il motivo per cui è stato importante per le ricerche sviluppare un bioink monocomponente. La nanocellulosa ha mostrato promesse quando combinata con altri biopolimeri e particelle. Tuttavia, Ajdary insiste sul fatto che i benefici, tra cui la somiglianza con la matrice extracellulare, l’elevata porosità, l’elevata capacità di rigonfiamento, la facilità di modifica della superficie e il comportamento al diradamento della cellulosa, li hanno incoraggiati a studiare il potenziale delle nanocellulose monocomponenti modificate in superficie.
Il team dell’Università di Aalto ha utilizzato le nanocellulosi sostenibili e ampiamente disponibili per realizzare diverse formulazioni di bioink e valutarle, tra cui nanocellulosa non modificata CNF, acetato CNF (AceCNF) e TEMPO ossidato CNF.
Per la bioprint 3D degli idrogel, i ricercatori hanno utilizzato le bioprinter Cellink , qualcosa che Ajdary ha attribuito alla facilità d’uso del dispositivo e perché ha fornito molta flessibilità per testare diversi tipi di idrogel ed emulsioni prodotte nel gruppo di ricerca.
In questo nuovo processo, gli inchiostri nanocellulosici monocomponenti sono stati inizialmente stampati in 3D su impalcature utilizzando la bioprinter BIO X di Cellink , che è dotata di una testina di stampa pneumatica per estrudere singoli filamenti e formare le strutture 3D. Quindi liofilizzato per evitare un restringimento esteso e sterilizzato alla luce UV. Dopo la sterilizzazione l’impalcatura era pronta e le cellule seminate sui campioni.
“Le strutture 3D di nanocellulosa acetilata sono altamente stabili dopo l’estrusione in concentrazioni molto inferiori. La minore concentrazione in condizioni umide facilita l’impalcatura con maggiore porosità dopo la disidratazione che può migliorare la penetrazione delle cellule nella struttura e aiutare nel trasporto dei nutrienti alle cellule e nel trasporto dei rifiuti metabolici “, ha specificato Ajdary.
I ricercatori affermano che il metodo ha avuto successo poiché gli scaffold stampati in 3D erano compatibili con le cellule cardiomoblast, consentendo la loro proliferazione e attaccamento e rivelando che i costrutti non sono tossici. Sebbene siano ancora in fase di ricerca, questi bioink e questa tecnica possono essere utilizzati per la fabbricazione e lo stoccaggio costosi e costosi di costrutti che possono essere applicati come materiali di base per la rigenerazione cardiaca.
Ciò che è nuovo in questo studio è l’attenzione particolare sui bioink monocomponenti a base di nanocellulosa che aprono la possibilità alla fabbricazione affidabile e su larga scala di scaffold appropriati per gli studi sui processi cellulari e per l’ingegneria dei tessuti. Poiché questa è una ricerca in corso, possiamo aspettarci di leggere altro materiale pubblicato dai ricercatori dell’Università di Aalto mentre continuano a testare ulteriormente la loro tecnica unica.
