Gli scienziati hanno combinato la tecnologia di stampa laser 3D e un processo di immersione alternativo per costruire strutture 3D complesse che imitano la microstruttura ossea. Questa è la prima dimostrazione di questo metodo di fabbricazione e porterà allo sviluppo di sistemi di coltura cellulare 3D in grado di supportare innesti ossei o creare midollo osseo artificiale.
La loro ricerca è pubblicata sulla rivista ACS Biomaterials Science &Engineering , ed è presente sulla copertina del numero pubblicato il 12 febbraio 2024.
L'osso è un materiale ibrido composto da sostanze organiche e inorganiche, principalmente fibre di collagene e un minerale inorganico chiamato idrossiapatite (HAp). Le fibre di collagene mineralizzate si assemblano per formare una struttura gerarchica che fornisce eccellente resistenza meccanica e tenacità all'osso corticale. L'osso corticale è il robusto strato esterno delle ossa lunghe.
Le microstrutture del midollo osseo, chiamate nicchia midollare, funzionano come regolatori delle cellule staminali ematopoietiche. Queste sono cellule primitive che si sviluppano in tutti i tipi di cellule del sangue. Tuttavia, il meccanismo attraverso il quale la nicchia del midollo osseo mantiene le cellule staminali emopoietiche rimane poco chiaro.
Il trapianto di cellule staminali ematopoietiche offre una possibile strategia per il trattamento della leucemia, del linfoma e delle malattie immunitarie. Ma è difficile per le cellule staminali emopoietiche espandersi al di fuori del corpo. Quindi la creazione di un modello di trapianto che imiti l’ambiente del midollo osseo potrebbe essere una soluzione a queste sfide, consentendo alle cellule staminali emopoietiche di moltiplicarsi in vitro e quindi di essere trapiantate. Inoltre, un modello che imita l'ambiente del midollo osseo potrebbe aiutare a chiarire il meccanismo di mantenimento delle cellule staminali ematopoietiche nel midollo osseo in vivo.
In ricerche precedenti, gli scienziati avevano sviluppato biomateriali basati sull’HAp che imitavano la microstruttura ossea. Hanno utilizzato tecniche di microfabbricazione per creare modelli 3D con HAp, con l’obiettivo di costruire una microstruttura ossea che imiti un ambiente biologico. I materiali rivestiti con HAp sono stati utilizzati come sostituti ossei in vivo per legare l'osso difettoso mediante impianto. La ricerca precedente ha dimostrato che i materiali rivestiti con HAp possono fornire un ambiente che supporta la funzione cellulare e mostra un'elevata affinità per l'osso.
Eppure c’erano dei limiti in questa ricerca precedente. "È stato difficile fabbricare materiali compositi organici e inorganici 3D con una struttura precisa mediante la stampa laser 3D", ha affermato Kazutoshi Iijima, professore associato presso la facoltà di ingegneria dell'Università nazionale di Yokohama.
La stereolitografia a scansione laser, una tecnologia di stampa 3D, può produrre modelli di ossa ad alta definizione. Il team ha scelto un metodo di fabbricazione che combina la stereolitografia a scansione laser con un processo di immersione alternativo. Con questo metodo di fabbricazione, il team ha costruito modelli di idrogel di dimensioni microscopiche di metacrilato di gelatina polimerizzato, un polimero reticolabile biocompatibile utilizzato nella biostampa. Hanno modificato i modelli con HAp utilizzando il processo di immersione alternato con una soluzione di ioni calcio e fosfato. Questo studio è la prima dimostrazione della modifica HAp su modelli stampati in 3D con una struttura più complessa, utilizzando il processo di immersione alternativo.
Hanno progettato e fabbricato modelli semplici, a forma di linea e un modello piramidale con una struttura complessa. Ciò ha consentito loro di modificare i modelli fabbricati di varie dimensioni con HAp, utilizzando il metodo del processo di immersione alternativo, senza alterare la microstruttura creata dalla stereolitografia.
Hanno testato i loro modelli in varie condizioni modificando il tempo di immersione e il numero di cicli di processo di immersione alternati. Il team è riuscito a controllare lo spessore dello strato HAp modificando le condizioni del processo di immersione alternato. Hanno analizzato i modelli della linea composita e hanno studiato il meccanismo di formazione dell'HAp mediante processi di immersione alternati negli idrogel.
“Combinando la tecnologia di stampa laser 3D e il processo di immersione alternativo, è diventato possibile costruire materiali compositi 3D precisi in metacrilato di gelatina e idrossiapatite con una struttura precisa”, ha affermato Hiroki Miyajima, professore assistente appositamente nominato presso la facoltà di ingegneria dell’Università nazionale di Yokohama. .
Guardando al futuro, il team spera di sviluppare modelli di ossa e midollo osseo che imitino la microstruttura delle ossa e che contribuiscano alla medicina rigenerativa, come la rigenerazione del tessuto osseo e l'espansione delle cellule staminali ematopoietiche.
Il gruppo di ricerca comprende Kaori Kojima, Hiroki Touji, Kodai Onodera, Masaru Mukai, Shoji Maruo e Kazutoshi Iijima dell'Università nazionale di Yokohama, Giappone.
Ulteriori informazioni: Hiroki Miyajima et al, Microfabbricazione di compositi di gelatina metacrilato/idrossiapatite utilizzando un processo di immersione alternativo, Scienza e ingegneria dei biomateriali ACS (2023). DOI:10.1021/acsbiomaterials.3c01046
Fornito dalla Yokohama National University
