Ci sono bambini piccoli che festeggiano le vacanze quest’anno con le loro famiglie, grazie ai dispositivi medici stampati in 3D creati nel laboratorio del ricercatore della Georgia Tech Scott Hollister. Per più di 10 anni, Hollister e i suoi collaboratori hanno sviluppato tutori salvavita per le vie aeree, specifici per il paziente, per neonati con rari difetti congeniti.
Questi dispositivi personalizzati di supporto delle vie aeree sono realizzati in un poliestere biocompatibile chiamato policaprolattone (PCL), che ha il vantaggio di essere approvato dalla Food and Drug Administration. I ricercatori utilizzano la sinterizzazione laser selettiva per riscaldare il poliestere in polvere, che si lega insieme formando una struttura solida. I dispositivi realizzati in PCL hanno un ottimo record di sicurezza quando impiantati nei pazienti.
Sfortunatamente, il PCL ha lo svantaggio di avere proprietà meccaniche relativamente rigide e lineari, il che significa che questo promettente biomateriale deve ancora essere applicato funzionalmente ad altre esigenze biomediche critiche, come l’ingegneria dei tessuti molli. Come si trasforma un materiale termoplastico solido in qualcosa di flessibile e possibilmente capace di crescere con il paziente? Il laboratorio di Hollister ha scoperto come.
“Design auxetico 3D”, ha affermato Jeong Hun Park, ricercatore nel laboratorio di Hollister che ha guidato il recente studio del team che dimostra il successo della stampa 3D di PCL per l’ingegneria dei tessuti molli. Un materiale auxetico, a differenza dei tipici elastici comuni, ha un rapporto di Poisson negativo. Ciò significa che se allunghi un materiale auxetico longitudinalmente si espanderà anche nella direzione laterale, mentre la maggior parte dei materiali si assottiglierà lateralmente (perché hanno un rapporto di Poisson positivo).
Quindi, una struttura auxetica può espandersi in entrambe le direzioni, il che è utile quando si considerano le applicazioni biomediche per gli esseri umani, i cui corpi e parti possono cambiare in dimensioni e forma nel tempo e comprendere molte strutture e densità diverse. Il team di Hollister si è proposto di conferire alla PCL, solitamente solida, alcune nuove proprietà auxetiche.
"Sebbene le proprietà meccaniche e il comportamento della struttura 3D dipendano dalle proprietà intrinseche del materiale di base, in questo caso PCL, possono anche essere ottimizzati in modo significativo attraverso la progettazione dell'architettura interna", ha spiegato Park.
Park ha guidato la progettazione di strutture stampate in 3D costituite da minuscoli montanti disposti ad angolo retto:immaginate le ossa di grattacieli molto piccoli. Il team ha iniziato creando prima strutture a forma di cubo, per testare la flessibilità, la resistenza e la permeabilità del design auxetico.
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials .
Comportamento flessibile
Fondamentalmente, un materiale auxetico è una struttura di rete progettata assemblando celle unitarie. Queste celle unitarie sono costituite da montanti e dalle relative giunture intersecanti, che sono un aspetto importante del comportamento di un dispositivo auxetico. La rotazione dei giunti che si intersecano all'interno della rete, in compressione o estensione, provoca il comportamento di Poisson negativo. Consente inoltre prestazioni avanzate per un dispositivo stampato, tra cui assorbimento dell'energia d'impatto, resistenza alla rientranza ed elevata flessibilità.
"Quando si guardano i numeri, basati sul lavoro di Jeong Hun, la nuova struttura è circa 300 volte più flessibile della tipica struttura solida che realizziamo con PCL nel nostro laboratorio", ha affermato Hollister, professore presso il Dipartimento di Scienze di Wallace H. Coulter. Ingegneria biomedica presso la Georgia Tech e la Emory University, dove detiene anche la cattedra Patsy e Alan Dorris in tecnologia pediatrica e ricopre il ruolo di presidente associato del dipartimento per la ricerca traslazionale.
La combinazione di flessibilità e resistenza in un dispositivo è particolarmente importante in questo caso, ha affermato Park, perché l'obiettivo finale della ricerca è "applicare questa struttura per sviluppare una protesi per la ricostruzione del seno che abbia proprietà biomeccaniche paragonabili al tessuto mammario nativo. Attualmente, non non disponiamo di un'opzione di impianto mammario biodegradabile in ambito clinico."
Ha spiegato che queste protesi biodegradabili per la ricostruzione del seno servono come una sorta di impalcatura. L'idea è che il materiale biocompatibile (PCL) alla fine si degrada e viene assorbito nel corpo, pur mantenendo proprietà meccaniche simili al tessuto mammario nativo.
"Ci aspettiamo che il tessuto nativo venga prima infiltrato nei pori dell'impianto biodegradabile", ha detto Park. "Il volume del tessuto aumenterà quindi all'interno dell'impianto man mano che si degrada e alla fine il dispositivo stesso verrà sostituito con il tessuto dopo la completa degradazione dell'impianto."
In sostanza, la protesi mammaria stampata in 3D è progettata per fornire supporto ricostruttivo facilitando al tempo stesso la crescita di nuovi tessuti.
Lo spazio tra questi piccoli montanti fa la differenza per il dispositivo più grande, conferendogli una morbidezza e una flessibilità che altrimenti sarebbero state impossibili. Questi spazi alla fine potranno essere riempiti con idrogel che aiuterà a favorire la crescita di cellule e tessuti.
Gli auxetici progettati dal team includono anche la progettazione di vuoti e spazi interni all'interno dei montanti, creando una sorta di microporosità che consente il trasporto di massa di ossigeno, sostanze nutritive e metaboliti per favorire l'espansione e la crescita di una rete cellulare.
Park sta lavorando con il chirurgo di Emory Angela Cheng per presentare una sovvenzione per ulteriori ricerche e test sulla protesi mammaria. E il team sta già adattando la tecnologia per altre applicazioni. Uno dei collaboratori di questa ricerca, ad esempio, è Mike Davis, il cui laboratorio a Emory si concentra sulla rigenerazione cardiaca.
"Grazie alla sua grande flessibilità, lo utilizzano per ricostruire il tessuto miocardico infartuato o necrotico", ha affermato Hollister.
E Park ha sviluppato una versione auxetica della stecca tracheale pediatrica. "Il vantaggio è che questo design può espandersi in due direzioni", ha affermato. "Quindi, man mano che i pazienti giovani crescono, il nuovo dispositivo crescerà con loro."
Ulteriori informazioni: Jeong Hun Park et al, Stampa 3D di impianti auxetici di poli‐ε‐caprolattone (PCL) con prestazioni avanzate per l'ingegneria dei tessuti molli di grandi volumi, Materiali funzionali avanzati (2023). DOI:10.1002/adfm.202215220
Informazioni sul giornale: Materiali funzionali avanzati
Fornito dal Georgia Institute of Technology
