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Nanotubi in carbonio accellerano la crescita delle ossa biostampate

Come stampare in 3D le ossa? Un paio di anni fa, se qualcuno che non fosse un ricercatore (e anche molti ricercatori) avesse posto questa domanda, avrebbe potuto essere guardato in modo strano. Ora lo sappiamo: la stampa 3D ossea richiede una combinazione di un materiale riassorbibile – come un polimero biodegradabile – e un materiale a fase bioattiva inorganica – come la ceramica.

Il gruppo di ricerca diretto dalla Professoressa Maria Vallet-Regí della facoltà di Farmacia della Università di Madrid ha recentemente dimostrato che, se aggiungete nanotubi di carbonio alla miscela per creare una rete elettrica tridimensionale all’ interno dei tessuti ossei, potete in realtà stimolare la ricrescita delle cellule ossee. Per provarlo, hanno usato un bioplotter 3D della EnvisionTEC e pubblicato i risultati, in collaborazione con l’Università di Aveiro (Portogallo), nel Journal of Biomedical Materials Research.

Bone CNT 2

Il polimero che hanno usato era un materiale piuttosto facile da stampare in 3D e approvato dalla FDA per gli impianti: il policaprolattone o PCL. Il materiale per la fase della ceramica era idrossiapatite, un materiale a base di calcio molto comune. “Al giorno d’ oggi, fosfati di calcio e polimeri sono ampiamente usati come rigeneratori ossei e materiali funzionali biocompatibili nell’ ingegneria dei tessuti, visto che sono molto simili al tessuto osseo naturale” ha detto Mercedes Vila, la responsabile del progetto. “Questi tipi di materiali sono progettati con diversi metodi per ottenere pezzi per impianti e supporti con le forme e le dimensioni richieste”.

I nanotubi di carbonio (o CNT) sono stati aggiunti alla miscela di materiale biostampabile per creare “una rete di conduzione elettrica tridimensionale per tutto il volume del supporto, che permettesse l’applicazione di questa stimolazione alla struttura una volta impiantata sul sito osseo danneggiato”. Il motivo per questo, mi ha spiegato Mercedes, è che le tecniche moderne tendono a combinare materiali robusti con sistemi intelligenti in grado di rispondere agli stimoli esterni per accelerare il processo di osteointegrazione (ricrescita ossea). I CNT sono in sostanza fogli di grafene di un atomo di spessore arrotolati su se stessi per formare filamenti molto lunghi con diametro di solamente pochi nanometri.

“In questo senso, la stimolazione elettrica è stata esplorata dalla scoperta della presenza di potenziali elettrici nelle ossa caricate meccanicamente,” ha sottolineato Mercedes. “Alcuni tipi di comportamento cellulare, come l’adesione e la differenziazione, possono essere influenzati dall’applicazione di stimolazione elettrica. Così, la creazione di una carica permanente sulla superficie del materiale, positiva o negativa, nonché una stimolazione elettrica diretta può favorire l’attrazione di ioni caricati dall’ambiente delle cellule. Questo modificherebbe il loro assorbimento delle proteine con la conseguente influenza sull’attività metabolica cellulare. Inoltre, l’uso della stimolazione elettrica dopo l’impianto del biomateriale per favorire l’adesione e la differenziazione delle cellule e, di conseguenza, indurre la guarigione ossea, sembra un approccio intelligente per accelerare il processo di osteointegrazione”.

Questo, in sostanza, significa che questo con l’aggiunta di nanotubi di carbonio nel polimero biostampato e nell’ impianto osseo protesico minerale, si può la ricrescita delle cellule ossee reali. Questo, sicuramente, ora avviene solo in vitro e a un livello cellulare, ma la strada da percorrere è chiara. Forse uno degli aspetti più curiosi è che la biostampa di CNT non ha creato difficoltà aggiuntive, visto che sono così sottili che possono essere estrusi facilmente attraverso una siringa pneumatica. La maggior parte delle complicazioni riguarda la ricerca della giusta viscosità nella combinazione di CPL e idrossiapatite.

“Trovare la giusta viscosità per estrudere attraverso la siringa mantenendo abbastanza robustezza per far stampare in 3D la struttura a temperatura ambiente,è stato complicato” ha ammesso Mercedes . “Allo stesso tempo, visto che l’impasto era preparato in una soluzione di diclorometano per diluire il PCL, raggiungere la corretta viscosità mentre il solvente evaporava è stato difficile. Inoltre, una volta che il PCL e l’idrossiapatite erano mescolati insieme, è stata eseguita l’aggiunta dei CNT e raggiungere una dispersione adeguata ha richiesto del tempo”.

Bone CNT

Mercedes e il gruppo sono entusiasti delle possibilità offerte dalla biostampa. Hanno lavorato sulla progettazione di materiali ossei a base di bioceramica e su strutture per la biomedicina rigenerativa che aiuteranno a velocizzare la ricrescita ossea , mentre il supporto a base polimera si dissolve con efficacia. Queste linee di ricerca comprendono anche la produzione e lo studio di sistemi di bioceramica per il rilascio controllato di specie biotecnologiche e antitumorali, nanoparticelle e matrici biocompatibili per applicazioni biotecnologiche. Inoltre, sono precursori nell’ applicazione di materiali mesoporosi ordinati a base di silice, come sistemi di rilascio di specie attive biologicamente, incapsulamento delle cellule in materiali porosi di silice, materiali mesoporosi per la terapia genica e la trasfezione, materiali ibridi organici-inorganici.

Usando il bioplotter 3D di EnvisionTEC sono stati in grado di portare la ricerca a nuovi livelli creando strutture in 3D multimateriali molto complesse, seguendo modelli specifici in precedenza programmati al computer. “Questo è un vantaggio incredibile nel cercare di produrre sostituti ossei visto che i difetti ossei da colmare sono molto variabili a seconda dei casi” ha spiegato Mercedes. “Credo che questa tecnica sia il futuro per la sostituzione dei tessuti perché permette soluzioni su misura catturando le informazioni anatomiche della ferita del paziente attraverso una tomografia computerizzata e una risonanza magnetica, per ottenere un impianto unico e personalizzato. C’è già una grande tendenza in fase di sviluppo per l’introduzione e i test di questi prodotti come soluzioni future e penso li vedremo a breve sul mercato”.

Come molte altre applicazioni della stampa 3D, sembra che stiamo solo cominciando a grattare la superficie delle possibilità, ma ci sono tutti i segnali che la biostampa sia uno dei modi – se non il miglior modo – per raggiungere nuovi livelli di innovazione in molte – se non tutte – le applicazioni della medicina rigenerativa.

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