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I ricercatori della Rice University stampano in 3D vasi sanguigni usando zucchero e laser

Le intricate reti di zucchero si dissolvono per creare percorsi per il sangue nei tessuti coltivati ​​in laboratorio

Lo zucchero a velo è l’ingrediente speciale di una ricetta della Rice University per imitare i vasi sanguigni del corpo nei tessuti coltivati ​​in laboratorio. Questo approccio allo zucchero coi vasi sanguigni stampati in 3D non è del tutto nuovo: lo zucchero è già stato utilizzato negli esperimenti con la sinterizzazione laser selettiva e nella bioprinting. Nella ricerca pubblicata sulla rivista Nature Biomedical Engineering , i bioingegneri della Rice hanno mostrato che potevano mantenere in vita cellule densamente imballate per due settimane in costrutti relativamente grandi creando reti di vasi sanguigni complessi da modelli di zucchero stampato in 3D.

“Uno dei maggiori ostacoli all’ingegneria dei tessuti clinicamente rilevanti è l’imballaggio di una grande struttura tissutale con centinaia di milioni di cellule viventi”, ha affermato l’autore principale dello studio Ian Kinstlinger, uno studente laureato in bioingegneria presso la Brown School of Engineering di Rice. “Fornire abbastanza ossigeno e sostanze nutritive a tutte le cellule attraverso quel grande volume di tessuto diventa una sfida monumentale”.

Kinstlinger spiega che la natura ha risolto questo problema attraverso l’evoluzione di complesse reti vascolari, che si intrecciano attraverso i nostri tessuti e organi in schemi che ricordano gli arti degli alberi. I vasi diventano contemporaneamente più piccoli di spessore ma di numero maggiore man mano che si diramano da un tronco centrale, permettendo all’ossigeno e ai nutrienti di essere distribuiti efficacemente alle cellule in tutto il corpo.

Lo studente laureato in bioingegneria della Rice University Ian Kinstlinger con un modello di vaso sanguigno stampato in 3D da zucchero a velo. Kinstlinger è co-autore principale di uno studio che ha dimostrato che i tessuti coltivati ​​in laboratorio realizzati con tali modelli avevano un flusso sanguigno sufficiente per sostenere le cellule densamente compresse. (Foto di Jeff Fitlow / Rice University)

“Sviluppando nuove tecnologie e materiali per imitare le reti vascolari presenti in natura, ci stiamo avvicinando al punto di poter fornire ossigeno e sostanze nutritive a un numero sufficiente di cellule per ottenere una significativa funzione terapeutica a lungo termine”, ha affermato Kinstlinger.

I modelli di zucchero sono stati stampati in 3D con un cutter laser open source modificato nel laboratorio del co-autore Jordan Miller, assistente professore di bioingegneria a Rice. “Il processo di stampa 3D che abbiamo sviluppato qui è come realizzare una crème brulée molto precisa”, ha affermato Miller, la cui ispirazione originale per il progetto è stata un intricato dessert.

Miller ha affermato che le strutture complesse e dettagliate sono rese possibili dalla sinterizzazione laser selettiva, un processo di stampa 3D che fonde piccoli granelli di polvere in oggetti 3D solidi. Contrariamente alla più comune stampa 3D di estrusione, in cui i filamenti di materiale fuso vengono depositati attraverso un ugello, la sinterizzazione laser funziona fondendo delicatamente piccole regioni in un letto impacchettato di polvere secca. Sia l’estrusione che la sinterizzazione laser costruiscono forme 3D uno strato 2D alla volta, ma il metodo laser consente la generazione di strutture che altrimenti sarebbero inclini al collasso se estruse, ha detto.

“Ci sono alcune architetture – come strutture a sbalzo, reti ramificate e reti multi vascolari – che non si può davvero fare bene con la stampa di estrusione”, ha affermato Miller, che ha dimostrato il concetto di templatura dello zucchero con una stampante per estrusione 3D durante i suoi studi post-dottorato presso l’Università della Pennsylvania. Miller ha iniziato a lavorare sull’approccio alla sinterizzazione laser poco dopo essersi unito a Rice nel 2013.

Lo zucchero è particolarmente utile nella creazione di modelli di vasi sanguigni perché è resistente quando è secco e si dissolve rapidamente in acqua senza danneggiare le cellule vicine. Per produrre tessuti, Kinstlinger utilizza una speciale miscela di zuccheri per stampare modelli e quindi riempie il volume attorno alla rete di zucchero stampata con una miscela di cellule in gel liquido. Il gel diventa semisolido in pochi minuti e lo zucchero viene quindi sciolto e lavato via per lasciare un passaggio aperto per sostanze nutritive e ossigeno.

“Un grande vantaggio di questo approccio è la velocità con cui possiamo generare ciascuna struttura di tessuto”, ha affermato Kinstlinger. “Siamo in grado di creare alcuni dei più grandi modelli di tessuti mai dimostrati, in meno di cinque minuti.”

Un campione di modelli di vasi sanguigni che i bioingegneri della Rice University hanno stampato in 3D usando una speciale miscela di zuccheri in polvere. (Foto di B. Martin / Rice University)

Miller ha affermato che il nuovo studio risponde a due importanti domande: quali zuccheri possono essere sinterizzati in strutture coerenti e da quali algoritmi computazionali possono derivare architetture complesse e ramificate che imitano quelle che si trovano in natura?

L’algoritmo computazionale che ha generato le architetture vascolari simili a tre alberi è stato creato in collaborazione con Nervous System, uno studio di progettazione che utilizza la simulazione al computer per creare arte, gioielli e articoli per la casa unici che si ispirano a modelli trovati in natura.

“Stiamo usando algoritmi ispirati dalla natura per creare reti funzionali per i tessuti”, ha dichiarato Jessica Rosenkrantz, co-fondatrice e direttrice creativa di Nervous System e co-autore di studi. “Poiché il nostro approccio è algoritmico, è possibile creare reti personalizzate per usi diversi”.

Dopo aver creato tessuti modellati con queste architetture vascolari generate computazionalmente, il team ha dimostrato la semina delle cellule endoteliali all’interno dei canali e si è concentrato sullo studio della sopravvivenza e della funzione delle cellule cresciute nel tessuto circostante, comprese le cellule epatiche dei roditori chiamate epatociti. Gli esperimenti sugli epatociti sono stati condotti in collaborazione con il bioingegnere dell’Università di Washington (UW) e la coautrice dello studio Kelly Stevens, il cui gruppo di ricerca è specializzato nello studio delle cellule delicate, che sono notoriamente difficili da mantenere fuori dal corpo.

l dottorando Ian Kinstlinger prepara il sistema di sinterizzazione laser selettiva nel laboratorio di bioingegneria Miller presso la Rice University. Kinstlinger utilizza il sistema per stampare in 3D modelli di vasi sanguigni dallo zucchero a velo. I modelli consentono ai bioingegneri di produrre tessuti coltivati ​​in laboratorio che hanno un flusso sanguigno sufficiente a sostenere le cellule densamente compresse. (Foto di Jeff Fitlow / Rice University)

“Questo metodo potrebbe essere utilizzato con una gamma molto più ampia di cocktail di materiali rispetto a molte altre tecnologie di bioprinting”, ha affermato Stevens. “Questo lo rende incredibilmente versatile”.

Miller ha dichiarato: “Abbiamo dimostrato che la perfusione attraverso le reti vascolari 3D ci consente di sostenere questi grandi tessuti epatici. Mentre ci sono ancora sfide di vecchia data associate al mantenimento della funzione degli epatociti, la capacità di generare grandi volumi di tessuto e di sostenere le cellule in quei volumi per un tempo sufficiente a valutare la loro funzione è un emozionante passo avanti”.

Stevens è un assistente professore di bioingegneria presso il UW College of Engineering, assistente professore di patologia presso la UW School of Medicine e un ricercatore presso l’Istituto di medicina UW per le cellule staminali e la medicina rigenerativa.

Altri autori includono Gisele Calderon, Karen Vasquez Ruiz, David Yalacki, Palvasha Deme, Kevin Janson, Daniel Sazer e Saarang Panchavati, tutti di Rice; Sarah Saxton e Fredrik Johansson, entrambi UW; Jesse Louis-Rosenberg di Nervous System; e Karl-Dimiter Bissig del Baylor College of Medicine.

Il lavoro è stato supportato dal Robert J. Kleberg Jr. e dalla Helen C. Kleberg Foundation, dal National Institutes of Health e dal Cancer Prevention and Research Institute of Texas tramite il Consorzio del carcinoma epatocellulare del Texas.

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Davide Sher

Sono un giornalista professionista iscritto all'ODG dal 2002 e mi sono sempre occupato di comunicazione trade. Per 10 anni ho redatto una testata dedicata al mercato dei videogiochi e successivamente ho partecipato alla creazione del primo iPad magazine dedicato all'elettronica di consumo. Dal 2012, mi occupo esclusivamente di stampa 3D/manifattura additiva, che vedo come la più affascinante e reale delle tecnologie oggi agli albori ma che plasmeranno il nostro futuro. Ho fondato Replicatore.it nel 2013 e ho scritto come blogger per diversi siti internazionali. Nel 2016 ho fondato la mia società 3dpbm (www.3dpbm.com), con base a Londra, che offre servizi di supporto alle aziende che vogliono comunicare, sia in Italia che nel mondo, i loro prodotti legati alla manifattura additiva. Oggi pubblichiamo diverse testate internazionali tra cui 3D Printing Media Network (il nostro sito editoriale internazionale), 3D Printing Business Directory (la più grande directory al mondo di aziende legate alla stampa 3D), Replicatore.it, Replicador.es e 3D Printing Media Network Chinese Version. Inoltre sono Senior Analyst di SmarTech Analysis, una delle più importanti realtà al mondo attive nella rilevazione di dati e previsioni di mercato relative ai vari segmenti verticali dell'industria della manifattura additiva.

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