Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha trovato un modo per utilizzare il polline di girasole per sviluppare un materiale di inchiostro per stampa 3D che potrebbe essere utilizzato per fabbricare parti utili per l'ingegneria dei tessuti, test di tossicità e somministrazione di farmaci.

Questo inchiostro derivato dal polline è in grado di mantenere la sua forma quando depositato su una superficie, rendendolo una valida alternativa agli attuali inchiostri utilizzati per la stampa 3D in campo biomedico (noto anche come bioprinting). Tali inchiostri sono generalmente morbidi e delicati, rendendo difficile mantenere la forma e la struttura 3D desiderate del prodotto finale mentre la biostampante deposita l'inchiostro strato dopo strato.

Per illustrare la funzionalità del loro inchiostro per stampa 3D a base di polline, gli scienziati dell'NTU Singapore hanno stampato uno "scaffold" di tessuto biologico che negli studi di laboratorio si è dimostrato adatto per l'adesione e la crescita cellulare, che sono essenziali per la rigenerazione dei tessuti.

Questo nuovo uso per il polline, descritto in un articolo scientifico che è stato oggetto di copertina di una rivista scientifica Materiali funzionali avanzati, evidenzia il suo potenziale come materiale alternativo sostenibile agli attuali inchiostri per bioprinting, ha detto il gruppo di ricerca.

Il co-autore principale dello studio, il professor Cho Nam-Joon della NTU School of Materials Sciences and Engineering, ha dichiarato:"La biostampa può essere difficile perché il materiale degli inchiostri utilizzati è in genere troppo morbido, il che significa che la struttura del prodotto previsto potrebbe crollare durante la stampa. Attraverso la messa a punto delle proprietà meccaniche del polline di girasole, abbiamo sviluppato un inchiostro ibrido a base di polline che può essere utilizzato per stampare strutture con una buona integrità strutturale. L'utilizzo del polline per la stampa 3D è un risultato significativo poiché il processo di produzione dell'inchiostro a base di polline è sostenibile e conveniente. Dato che esistono numerosi tipi di specie di polline con dimensioni distinte, forme, e proprietà superficiali, le sospensioni di microgel di polline potrebbero essere potenzialmente utilizzate per creare una nuova classe di materiali di stampa 3D ecologici".

Il co-autore principale dello studio, il professor Song Juha della NTU School of Chemical and Biomedical Engineering, ha dichiarato:"I nostri risultati potrebbero aprire nuove porte a membrane flessibili personalizzate che si adattano esattamente ai contorni della pelle umana, come cerotti per medicazioni o maschere facciali. Tali membrane morbide e flessibili sono generalmente prodotte in base alla geometria piatta, provocando così problemi come fratture negli strati o una scarsa aderenza quando applicato su ampie aree superficiali della pelle, come il viso o aree che vedono frequenti movimenti come le articolazioni. Utilizzando il nostro inchiostro di stampa 3D a base di polline, che è biocompatibile, flessibile, e a basso costo, possiamo fabbricare membrane che sono adattate ai contorni della pelle umana e sono in grado di piegarsi senza rompersi".

Il team di ricerca comprende anche l'assistente professore Jang Taesik della Chosun University in Corea del Sud.

Professor Paul S. Weiss, Illustre Professore di Chimica e Biochimica, Bioingegneria, e di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l'Università della California, Los Angeles, chi non è stato coinvolto nello studio, ha affermato che "il polline è un bionanomateriale affascinante e sostenibile con una miriade di usi. Song, Cho, e i loro team ora lo hanno aggiunto all'arsenale di ciò che può essere strutturato su scala più ampia attraverso la produzione additiva, Stampa 3D, incorporandolo in un inchiostro."

Dott. Jeffrey S. Glenn, Direttore del Center for Hepatitis and Liver Tissue Engineering presso la Stanford Medicine, chi non è stato coinvolto nello studio, ha aggiunto che "questo è un documento molto interessante che mostra la capacità di stampare in 3D strutture personalizzate per la produzione e la somministrazione di farmaci con un sostenibile, a buon mercato, e materiale atossico."

Come viene sviluppato l'inchiostro ibrido a base di polline

Il metodo di bioprinting più utilizzato oggi è il bioprinting basato sull'estrusione, in cui gli inchiostri vengono erogati continuamente dagli ugelli e depositati lungo percorsi definiti digitalmente per fabbricare strutture 3D strato per strato.

Una delle sfide di questo metodo è la difficoltà nel mantenere le strutture e le forme 3D di materiali morbidi e delicati come gli idrogel, cellule, e biopolimeri senza supporto aggiuntivo. Una struttura chiamata matrice di supporto, all'interno del quale si deposita l'inchiostro morbido durante il processo di stampa, è tipicamente usato. Però, questo crea scarti in quanto la matrice di supporto diventa inutilizzabile dopo la stampa.

Asst Prof Song ha dichiarato:"Gli sforzi di ricerca precedenti si sono concentrati sullo sviluppo di bioinchiostri speciali per un'efficiente deposizione e stampabilità attraverso la miscelazione di idrogel con fibre o particelle. Il principale svantaggio di tali inchiostri compositi idrogel è l'ostruzione degli ugelli, che è un problema più significativo negli inchiostri con un contenuto più elevato di tali fibre o particelle. L'inchiostro ibrido a base di polline che abbiamo sviluppato, in contrasto, è meccanicamente abbastanza forte da mantenere la sua struttura senza inceppare la stampante."

Il processo di sviluppo dell'inchiostro ibrido a base di polline inizia con l'incubazione del polline di girasole resistente in una soluzione alcalina, un processo ecologico simile alla produzione di sapone, per sei ore per formare particelle di microgel di polline.

Il microgel di polline viene quindi miscelato con idrogel come alginato, un polimero naturale tipicamente ottenuto da alghe brune, o acido ialuronico, un chiaro, sostanza appiccicosa prodotta naturalmente dal corpo, per formare l'inchiostro ibrido polline-idrogel finale.

Scaffold a base di polline per colture cellulari e somministrazione di farmaci

Come prova di concetto, gli scienziati hanno stampato un'impalcatura di ingegneria dei tessuti a cinque strati, utile per la coltura delle cellule, tra 12 minuti. Il collagene è stato quindi aggiunto all'impalcatura per fornire punti di ancoraggio a cui le cellule possono aderire e crescere.

Gli scienziati hanno quindi seminato cellule umane sull'impalcatura e hanno scoperto che ha un'elevata efficienza di semina cellulare dal 96 al 97 percento. Si tratta di prestazioni paragonabili agli idrogel a cristalli colloidali invertiti (ICC) ampiamente utilizzati come piattaforme di coltura cellulare 3D ma che richiedono tempo e sono laboriosi da fabbricare.

Dato che il polline risponde ai cambiamenti di pH, quando un ambiente diventa acido o alcalino, il team di NTU ha anche testato la fattibilità dello scaffold 3D come sistema di somministrazione di farmaci sensibile allo stimolo. Quando un colorante rosso fluorescente è stato gocciolato sull'impalcatura, gli scienziati hanno scoperto che le particelle di microgel di polline rilasciavano gradualmente il colorante nell'impalcatura. La quantità e la velocità di rilascio aumentavano con l'aggiunta di un acido. Ciò dimostra che esiste il potenziale per l'impalcatura pollinica da utilizzare come sistema di somministrazione di farmaci a rilascio controllato, hanno detto gli scienziati. Il prof Cho ha detto:"Le particelle di microgel di polline hanno una struttura a guscio cavo, il che significa che potrebbero essere potenzialmente utilizzati per trasportare droghe, cellule, o biomolecole in piattaforme di somministrazione di farmaci con strutture 3D personalizzate. Ora stiamo esaminando come possiamo utilizzare questi scaffold di microgel di polline per piattaforme di coltura cellulare 3D in varie applicazioni biomediche.

"C'è anche il potenziale per l'impalcatura a base di polline da utilizzare come vettore intelligente di farmaci, data la natura di risposta allo stimolo del polline. Ad esempio, possiamo rallentare ulteriormente il rilascio di farmaci rivestendo l'impalcatura a base di polline con un sottile strato di alginato, e stimolare il rilascio introducendo un acido."

Struttura di supporto a base di polline per inchiostri di stampa 3D morbidi

Gli scienziati hanno anche scoperto che le particelle di microgel di polline morbide e flessibili, derivato da duri grani di polline, potrebbe potenzialmente fungere da matrice di supporto riciclabile, per l'uso nella stampa 3D a mano libera, in cui viene depositato l'inchiostro morbido. La matrice di supporto impedisce il collasso della struttura stampata durante la polimerizzazione dell'inchiostro.

Per verificare la fattibilità del loro approccio, gli scienziati hanno fabbricato una rete in gomma siliconica stampata in 3D per il gomito utilizzando il microgel di polline come supporto che manterrebbe la forma della rete del gomito durante la stampa.

Dopo aver polimerizzato il prodotto stampato a 75°C (167°F) per 24 ore all'interno del microgel di polline, gli scienziati hanno scoperto che la rete in gomma siliconica 3D stampata potrebbe adattarsi alla curvatura del gomito umano. Hanno anche scoperto che le proprietà meccaniche dei campioni di gomma siliconica stampati e polimerizzati nella matrice di supporto del microgel di polline erano simili a quelle dei campioni fabbricati con il metodo di colata tradizionale.

L'uso del polline nel campo biomedico si basa sul corpo di lavoro del team di ricerca della NTU sul riutilizzo dei grani di polline, una risorsa naturale rinnovabile, in un blocco di costruzione per vari materiali alternativi ecologici, dalla carta ecologica alle spugne biodegradabili che possono assorbire gli inquinanti petroliferi.

Questa ricerca è in linea con le ambizioni di ricerca di NTU nel suo piano strategico 2025 per tradurre le invenzioni e la creatività in risultati che migliorano i benefici economici e la qualità della vita.

Il team sta ora cercando di collaborare con l'industria per perfezionare la propria innovazione di stampa 3D e promuovere la sua diffusione commerciale.