Un nuovo metodo consente il monitoraggio non invasivo del metabolismo dell'ossigeno nelle cellule che vengono biostampate in 3D in strutture viventi complesse. Ciò potrebbe contribuire agli studi sulla crescita cellulare e sulle interazioni in condizioni simili ai tessuti, nonché per la progettazione di costrutti stampati in 3D che facilitano una maggiore produttività delle microalghe nei biofilm o un migliore apporto di ossigeno per le cellule staminali utilizzate negli sforzi di ricostruzione ossea e tissutale.

Un team internazionale di ricercatori guidati dal professor Michael Kühl presso il Dipartimento di Biologia, Università di Copenaghen, ha appena pubblicato una svolta nella biostampa 3D. Insieme ai colleghi tedeschi dell'Università tecnica di Dresda, Il gruppo del professor Kühl ha implementato nanoparticelle sensibili all'ossigeno in un materiale in gel che può essere utilizzato per la stampa 3D di complessi, biofilm e strutture simili a tessuti che ospitano cellule viventi e sensori chimici incorporati. L'opera è stata appena pubblicata su Materiali funzionali avanzati .

Kühl spiega:"La stampa 3D è una tecnica molto diffusa per produrre oggetti in plastica, metallo e altri materiali abiotici. Allo stesso modo, le cellule viventi possono essere stampate in 3D in materiali gel biocompatibili (bioink) e tale bioprinting 3D è un campo in rapido sviluppo, per esempio. negli studi biomedici, dove le cellule staminali vengono coltivate in costrutti stampati in 3D che imitano la complessa struttura dei tessuti e delle ossa. Tali tentativi mancano del monitoraggio online dell'attività metabolica delle cellule che crescono in costrutti biostampati; attualmente, tali misurazioni si basano in gran parte sul campionamento distruttivo. Abbiamo sviluppato una soluzione in attesa di brevetto a questo problema".

Il gruppo ha sviluppato un bioinchiostro funzionalizzato implementando nanoparticelle luminescenti sensibili all'ossigeno nella matrice di stampa. Quando la luce blu eccita le nanoparticelle, emettono luce rossa luminescente in proporzione alla concentrazione di ossigeno locale:più ossigeno, la minore luminescenza rossa. La distribuzione della luminescenza rossa e quindi dell'ossigeno attraverso le strutture viventi biostampate può essere ripresa con un sistema di telecamere. Ciò consente di online, monitoraggio non invasivo della distribuzione e della dinamica dell'ossigeno che può essere mappato alla crescita e alla distribuzione delle cellule nei costrutti biostampati in 3D senza la necessità di un campionamento distruttivo.

Kuhl dice, "È importante che l'aggiunta di nanoparticelle non modifichi le proprietà meccaniche del bioinchiostro, per esempio. per evitare lo stress cellulare e la morte durante il processo di stampa. Per di più, le nanoparticelle non dovrebbero inibire o interferire con le cellule. Abbiamo risolto queste sfide, poiché il nostro metodo mostra una buona biocompatibilità e può essere utilizzato con microalghe e linee cellulari umane sensibili".

Lo studio recentemente pubblicato dimostra come i bioink funzionalizzati con nanoparticelle sensoriali possono essere calibrati e utilizzati, per esempio., per il monitoraggio della fotosintesi e della respirazione delle alghe, così come la respirazione delle cellule staminali in strutture biostampate con uno o più tipi di cellule.

"Si tratta di una svolta nella biostampa 3D. Ora è possibile monitorare online il metabolismo dell'ossigeno e il microambiente delle cellule, e in modo non invasivo in strutture viventi stampate in 3D intatte, " afferma il prof. Kühl. "Una sfida fondamentale nella crescita delle cellule staminali in strutture più grandi simili a tessuti o ossa è garantire un apporto di ossigeno sufficiente per le cellule. Con il nostro sviluppo, è ora possibile visualizzare le condizioni dell'ossigeno in strutture biostampate in 3D, quale ad es. consente test rapidi e ottimizzazione della crescita delle cellule staminali in costrutti progettati in modo diverso".

Il team è interessato ad esplorare nuove collaborazioni e applicazioni dei loro sviluppi. Kuhl dice, "La biostampa 3-D con bioinchiostri funzionalizzati è una nuova potente tecnologia che può essere applicata in molti altri campi di ricerca oltre alla biomedicina. È estremamente stimolante combinare materiali così avanzati, scienza e tecnologia dei sensori con le mie ricerche in microbiologia e biofotonica, dove attualmente impieghiamo la biostampa 3D per studiare le interazioni microbiche e la fotobiologia".