Università della California, San Diego NanoEngineers ha vinto una sovvenzione dal National Institutes of Health (NIH) per sviluppare gli strumenti per produrre telai biodegradabili attorno ai quali cresceranno i tessuti cardiaci, inclusi i vasi sanguigni funzionali. Sviluppare metodi per far crescere i tessuti che imitano i dettagli a grana fine della natura, compreso il sistema vascolare, potrebbe portare a progressi negli sforzi per far crescere tessuti cardiaci sostitutivi per le persone che hanno subito un infarto. Il lavoro potrebbe anche portare a sistemi migliori per la crescita e lo studio delle cellule, comprese le cellule staminali, in laboratorio.

Il professor Shaochen Chen del Dipartimento di NanoEngineering della UC San Diego è il ricercatore principale della sovvenzione quadriennale di 1,5 milioni di dollari del National Institutes of Health. La sovvenzione sta finanziando lo sviluppo della piattaforma di produzione necessaria per produrre questi telai biodegradabili o "impalcature".

"Stiamo creando biomateriali con nanostrutture all'interno, "ha detto Chen. "Scientificamente ci sono così tante opportunità a livello molecolare, e la nanoingegneria è perfetta per questo. Prevediamo che la nostra nuova piattaforma di biofabbricazione produrrà tessuti che imitano i tessuti naturali molto più da vicino".

Una di queste opportunità è aggiungere nuovi livelli di precisione e funzionalità ai ponteggi prodotti dalla "piattaforma di biofabbricazione" che Chen e i suoi collaboratori hanno inventato e hanno migliorato negli ultimi cinque anni.

Con la piattaforma di biofabbricazione migliorata, gli ingegneri del Dipartimento di Nanoingegneria della Jacobs School of Engineering della UC San Diego saranno in grado di produrre scaffold con sistemi progettati con precisione di pori su nanoscala e altri dettagli microarchitettonici che controllano il modo in cui le cellule interagiscono tra loro e con l'ambiente.

"Devi progettare i pori in modo che la cellula possa ricevere nutrimento e scaricare i rifiuti... percorsi affinché la cellula sopravviva nel sistema, " ha spiegato Chen.

I ricercatori hanno anche in programma di creare impalcature con tubi, e poi seminare quei tubi con le cellule che rivestono i vasi sanguigni - cellule endoteliali - per cercare di generare sistemi vascolari funzionanti. La mancanza di vasi sanguigni nella maggior parte dei sistemi di rigenerazione dei tessuti provoca la morte cellulare, perdita di funzionalità, e limita la dimensione massima dei tessuti rigenerati.

Inoltre, le proprietà chimiche dei nuovi ponteggi cambieranno dall'alto verso il basso, che creerà gradienti chimici che guidano la crescita cellulare.

Come nelle versioni precedenti del sistema di costruzione di impalcature di Chen, le cellule saranno incapsulate all'interno delle pareti dello scaffold.

"Generalmente, quando i ricercatori coltivano i tessuti, fanno un'impalcatura, metti le cellule nell'impalcatura e lascia che le cellule crescano, " ha spiegato Chen. "Quando fabbrichiamo le nostre impalcature, le cellule sono già all'interno delle pareti dell'impalcatura." L'incapsulamento delle cellule all'interno delle pareti favorisce la semina uniforme delle cellule.

Gli scaffold saranno a base di materiali naturali quali acido ialuronico, un componente chiave della "matrice extracellulare" che fornisce supporto strutturale, guarigione delle ferite, e una serie di altre funzioni per i tessuti umani e altri animali.

"Gli idrogel per i nostri scaffold non possono essere troppo morbidi, troppo appiccicoso o troppo rigido. Devono adattarsi alle esigenze del tessuto biologico, " disse Chen.

I collaboratori della Harvard Medical School cresceranno e caratterizzeranno i tessuti avviati sugli scaffold.

Biostampa di proiezione

Per fabbricare scaffold tissutali, Chen e colleghi hanno sviluppato e continuano a perfezionare un processo di produzione che utilizza luce, specchi controllati con precisione, e un sistema di proiezione al computer. Primo, gli ingegneri progettano un modello tridimensionale della struttura da stampare. Prossimo, gli ingegneri preparano una soluzione contenente sia le cellule che alla fine cresceranno nel tessuto sia i polimeri che si solidificheranno nell'impalcatura. Quando la luce illumina la soluzione utilizzando la serie di specchi, l'impalcatura si solidifica secondo le esatte specifiche dell'immagine proiettata.

Seguendo questi passaggi, vengono fabbricati scaffold e le cellule vengono incapsulate nelle pareti dello scaffold poiché la luce solidifica i polimeri uno strato alla volta.

"Con la nostra piattaforma di biofabbricazione, possiamo costruire arbitrariamente, forme tridimensionali, come rami di vasi sanguigni, e tubi – grandi e piccoli, " ha detto Chen. Il mio focus è sulla fabbricazione dei materiali e sul livello dei dispositivi. Questo lavoro è applicabile a molti diversi tipi di cellule e tessuti.