La crescita dei tessuti e il comportamento delle cellule possono essere controllati e studiati particolarmente bene incorporando le cellule in un delicato quadro 3-D. Ciò si ottiene utilizzando metodi di stampa 3D additivi, le cosiddette tecniche di "bioprinting". Però, ciò comporta una serie di sfide:alcuni metodi sono molto imprecisi o consentono solo una finestra temporale molto breve in cui le celle possono essere processate senza essere danneggiate. Inoltre, i materiali utilizzati devono essere compatibili con le cellule durante e dopo il processo di biopriting 3-D. Ciò limita la varietà dei materiali possibili.

Un processo di bioprinting ad alta risoluzione con materiali completamente nuovi è stato ora sviluppato presso TU Wien (Vienna):grazie a uno speciale "inchiostro biologico" per la stampante 3D, le cellule possono ora essere incorporate in una matrice 3D stampata con precisione micrometrica, a una velocità di stampa di un metro al secondo, ordini di grandezza più velocemente di quanto fosse possibile in precedenza.

L'ambiente conta

"Il comportamento di una cellula si comporta dipende in modo cruciale dalla meccanica, proprietà chimiche e geometriche del suo ambiente, " dice il prof. Aleksandr Ovsianikov, capo del gruppo di ricerca sulla stampa 3D e sulla biofabbricazione presso l'Istituto di scienza e tecnologia dei materiali (TU Wien). "Le strutture in cui sono incorporate le cellule devono essere permeabili ai nutrienti in modo che le cellule possano sopravvivere e moltiplicarsi. Ma è anche importante che le strutture siano rigide o flessibili, se sono stabili o si degradano nel tempo."

È possibile prima produrre strutture adatte e poi colonizzarle con cellule viventi, ma questo approccio può rendere difficile il posizionamento delle cellule in profondità all'interno dell'impalcatura, ed è difficilmente possibile ottenere una distribuzione cellulare omogenea in questo modo. L'opzione molto migliore è incorporare le cellule viventi direttamente nella struttura 3D durante la produzione della struttura:questa tecnica è nota come "bioprinting".

La stampa di oggetti 3D microscopici non è più un problema oggi. Però, l'uso di cellule viventi pone alla scienza sfide completamente nuove:"Finora, c'è stata semplicemente una mancanza di sostanze chimiche adatte, " dice Aleksandr Ovsianikov. "Hai bisogno di liquidi o gel che solidifichino esattamente dove li illumini con un raggio laser focalizzato. Però, questi materiali non devono essere dannosi per le cellule, e l'intero processo deve avvenire in modo estremamente rapido."

Due fotoni contemporaneamente

Per ottenere una risoluzione estremamente elevata, I metodi di polimerizzazione a due fotoni sono stati utilizzati per anni alla TU Wien. Questo metodo utilizza una reazione chimica che viene avviata solo quando una molecola del materiale assorbe contemporaneamente due fotoni del raggio laser. Questo è possibile solo dove il raggio laser ha un'intensità particolarmente elevata. In questi punti la sostanza si indurisce, mentre rimane liquido ovunque. Perciò, questo metodo a due fotoni è più adatto per produrre strutture estremamente fini con elevata precisione.

Però, queste tecniche ad alta risoluzione di solito hanno lo svantaggio di essere molto lente, spesso nell'ordine dei micrometri o di pochi millimetri al secondo. A TU Vienna, però, i materiali compatibili con le cellule possono essere lavorati a una velocità di oltre un metro al secondo, un passo avanti decisivo. Solo se l'intero processo può essere completato entro poche ore ci sono buone possibilità che le cellule sopravvivano e si sviluppino ulteriormente.

Numerose nuove opzioni

"Il nostro metodo offre molte possibilità per adattare l'ambiente delle cellule, " dice Aleksandr Ovsianikov. A seconda di come è costruita la struttura, può essere reso più rigido o più morbido. anche bene, sono possibili gradienti continui. In questo modo, è possibile definire esattamente come dovrebbe apparire la struttura per consentire il tipo desiderato di crescita cellulare e migrazione cellulare. L'intensità del laser può essere utilizzata anche per determinare la facilità con cui la struttura verrà degradata nel tempo.

Ovsianikov è convinto che questo sia un importante passo avanti per la ricerca cellulare:"Utilizzando questi scaffold 3D, è possibile studiare il comportamento delle cellule con un'accuratezza prima irraggiungibile. È possibile studiare la diffusione delle malattie, e se vengono utilizzate cellule staminali, in questo modo è anche possibile produrre tissue su misura."

Il progetto di ricerca è una cooperazione internazionale e interdisciplinare in cui sono stati coinvolti tre diversi istituti della TU Vienna:il gruppo di ricerca di Ovsianikov era responsabile della tecnologia di stampa stessa, l'Istituto di chimica sintetica applicata ha sviluppato fotoiniziatori veloci e compatibili con le cellule (le sostanze che avviano il processo di indurimento quando illuminate) e l'Istituto di strutture leggere e biomeccanica strutturale ha analizzato le proprietà meccaniche delle strutture stampate.