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I ricercatori (italiani) dell’Imperial College presentano un nuovo metodo per il 3D bioprinting criogenico di tessuti molli

Il 3D bioprinting convenzionale consente la realizzazione di strutture 3D per applicazioni biomediche. Tuttavia, in gran parte dei casi, queste strutture sono costituite da materiali solidi a base polimerica. Zhengchu Tan, Cristian Parisi, Lucy Di Silvio, Daniele Dini & Antonio Elia Forte, del Dipartimento di Bioingegneria dell’Imperial College London, hanno presentato un metodo di 3D printing criogenico in grado di realizzare strutture 3D stabili sfruttando la fase di passaggio da liquido a solido di un inchiostro idrogel (CH) composito.

Ciò si ottiene raffreddando rapidamente la soluzione a base d’inchiostro e portandola al di sotto del suo punto di solidificazione tramite l’impiego di anidride carbonica solida (CO2) in un bagno di isopropanolo. La configurazione è stata in grado di creare con successo strutture geometriche complesse in 3D, con una rigidezza compressiva media di O(1) kPa (0,49 ± 0,04 kPa sollecitazione del 30%) e pertanto in grado di imitare le proprietà meccaniche dei tessuti molli presenti nell’organismo umano, come quelli del cervello e dei polmoni.

“Abbiamo usato una Ultimaker 2 modificata,” ha spiegato il Dr. Forte in esclusiva a 3DPMN, “abbiamo un perfusore (pompa siringa) che comprime una siringa in cui è stato collocato l’idrogel liquido.”

Il metodo è stato ulteriormente convalidato mostrando che il materiale stampato in 3D corrispondeva al calco in gesso equivalente in termini di proprietà meccaniche e microstruttura. Una valutazione biologica preliminare sul materiale stampato in 3D, rivestito con collagene di tipo I, poli-L-lisina e gelatina, è stata effettuata su una semina di fibroblasti dermici. Le cellule hanno mostrato un buon attaccamento e possibilità di sopravvivenza all’idrogel composito stampato in 3D e rivestito di collagene. Questo studio amplia enormemente la gamma di applicazioni per le strutture stampate in 3D criogenicamente a base di idrogel, dai tessuti molli sintetici per il training chirurgico e per le simulazioni alla meccano-biologia e l’ingegneria dei tessuti.

(a) Microstruttura cilindrica a pori e (b) cellule a 8 unità stampate; struttura cellulare a 8 unità stampata decongelata in (c) vista isometrica e (d) vista laterale. Scala grafica (c) 10 mm e (d) 5 mm.

Gli scienziati sono stati quindi in grado di stampare in 3D strutture molli occupando l’intero piatto di stampa della Ultimaker 2. “A questo punto la sfida principale è l’altezza” spiega Forte. “Non avevamo nulla di accettabile al di sopra dei 2cm. C’è un gradiente di temperatura dal basso verso l’alto che previene una velocità di solidificazione uniforme.” Ciononostante, Forte ritiene che sarebbe possibile produrre parti più grandi circoscrivendo la stampa all’interno di una camera (raffreddata) a temperatura controllata. “In questo modo il problema del gradiente di temperatura sarebbe alleviato – ha spiegato. “In tal senso, ci piacerebbe collaborare con il settore, nel caso in cui qualche compagnia dovesse essere interessata allo sviluppo di un prototipo.”

Esplorando il 3D Printing criogenico

Il progetto è affascinante. Naturalmente, il problema del controllo della temperatura di una camera riscaldata è stato esaminato ampiamente in vari segmenti del 3D printing ma l’idea di una camera di raffreddamento a temperatura controllata è piuttosto nuova e racchiude tante possibilità, soprattutto quando si lavora con materiali viscosi come quelli spesso impiegati nel bioprinting (e nel 3D printing alimentare).

 “A quanto ne sappiamo, sono stati pochi gli scienziati ad averci provato in precedenza ma il nostro studio è il primo in cui qualcuno riesce a stampare strutture super-molli (ovvero moduli di Young  = qualche KPa) con un piatto raffreddante,” ha detto il Dr. Forte.

Nel corso degli ultimi tre decenni, il  3D bioprinting è diventato una delle principali tecniche impiegate per la riproduzione di geometrie di tessuti reali, con il potenziale di imitare la miscrostruttura dei tessuti molli. Quindi, il bioprinting è al momento il punto focale di diversi campi di ricerca in rapido sviluppo. Le applicazioni recenti comprendono la stampa di organi umani completi per sopperire alle carenze di donatori di organi. Con lo sviluppo di nuovi materiali per tessuti molli da utilizzare come inchiostri di stampa, il settore del 3D printing biologico è cresciuto in maniera esponenziale, rendendo possibile l’estrusione di cellule viventi in sospensione nell’inchiostro di stampa.

Dopo il 3D printing criogenico delle strutture dei tessuti molli, questa tecnica potrebbe essere applicata a qualsiasi tipo di cellula staminale, proprio come accade in qualsiasi altro processo di bioprinting indiretto.  “Nel nostro caso, eravamo interessati principalmente alle applicazioni neurali – ha affermato il Dr. Forte – come un apparato sperimentale di Trauma cranico  (TBI) o Danno assonale diffuso (DAI).” Si direbbe che la prima applicazione pratica per questo metodo di bioprinting e per i suoi materiali non sia tanto lontana come si possa pensare: il Dr. Forte e il suo team hanno già impiegato lo stesso idrogel (prodotto con metodo del calco in gesso) per simulazioni chirurgiche nel 2015. Se adeguatamente sviluppato, il 3D printing criogenico, potrebbe aprire a breve nuove opportunità di grande interesse.

Leggi lo studio completo pubblicato sulla rivista Nature.

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