Un laser indurisce il materiale liquido esattamente nel punto focale.
Utilizzando la tecnologia laser, Aleksandr Ovsianikov della Vienna University of Technology vuole creare microstrutture con cellule viventi incorporate.
Il comportamento delle cellule dipende fortemente dal loro ambiente. Se devono essere ricercati e manipolati, è fondamentale inserirli in un ambiente adatto. Aleksandr Ovsianikov sta sviluppando un sistema laser, che consente alle cellule viventi di essere incorporate in intricate strutture su misura, simile al tessuto biologico, in cui le cellule sono circondate dalla matrice extracellulare. Questa tecnologia è particolarmente importante per i biotessuti che crescono artificialmente, per la ricerca di nuovi farmaci o per la ricerca sulle cellule staminali. Ovsianikov ha ora ricevuto l'ERC Starting Grant dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) di circa 1,5 milioni di euro.
Strutture ad alta tecnologia per la ricerca biomedica
"Crescere cellule su una superficie piana è facile, ma tali colture cellulari spesso si comportano diversamente dalle cellule in un vero tessuto tridimensionale", dice Aleksandr Ovsianikov. Mentre in due dimensioni, vengono utilizzate piastre Petri convenzionali, non è ancora disponibile un sistema standard per le colture cellulari tridimensionali. Una tale matrice 3D deve essere porosa, in modo che le cellule possano ricevere tutti i nutrienti necessari. Per di più, è importante che la geometria, i parametri chimici e meccanici di questa matrice possono essere regolati con precisione al fine di studiare e indurre le risposte cellulari necessarie. Anche, è importante che la struttura possa essere prodotta rapidamente e in grandi quantità, poiché gli esperimenti biologici di solito devono essere eseguiti in molte colture cellulari contemporaneamente per fornire dati affidabili.
È possibile produrre una griglia tridimensionale, che mantiene la cellula in posizione.
Questi requisiti sono soddisfatti molto bene dal gruppo di ricerca "Additive Manufacturing Technologies" presso l'Università di Tecnologia di Vienna. Il team interdisciplinare di ricercatori ha sviluppato tecnologie speciali per creare strutture tridimensionali con precisione su scala submicrometrica. "Vogliamo sviluppare un metodo universale, che può servire come standard per colture cellulari tridimensionali e che può essere adattato a diversi tipi di tessuto e a diversi tipi di cellule", dice Aleksandr Ovsianikov.
Il laser trasforma il liquido in un'impalcatura su misura
All'inizio, le cellule sono sospese in un liquido, che consiste principalmente di acqua. Vengono aggiunte molecole amiche delle cellule, che reagiscono con la luce in un modo molto speciale:un raggio laser focalizzato rompe i doppi legami esattamente nei punti giusti. Una reazione chimica a catena fa sì che le molecole si leghino e creino un polimero.
Questa reazione viene attivata solo quando due fotoni laser vengono assorbiti contemporaneamente. Solo all'interno del punto focale del raggio laser la densità dei fotoni è abbastanza alta per questo. Il materiale al di fuori del punto focale non viene influenzato dal laser. "È così che possiamo definire con una precisione senza precedenti, in quali punti le molecole dovrebbero legarsi e creare una solida impalcatura", spiega Ovsianikov.
Guidando il fuoco del raggio laser attraverso il liquido, si crea una struttura solida, in cui sono incorporate le cellule viventi. Le molecole in eccesso che non sono polimerizzate vengono semplicemente lavate via in seguito. Per di qua, si può costruire una struttura in idrogel, simile alla matrice extracellulare che circonda le nostre cellule nei tessuti viventi. Le idee della natura vengono imitate in laboratorio e utilizzate per applicazioni tecnologiche. Questo approccio, chiamato 'biomimetico' gioca un ruolo sempre più importante, soprattutto nella scienza dei materiali. Aleksandr Ovsianikov è fiducioso che in molti casi, questa tecnologia renderà superflui i test sugli animali e produrrà risultati molto più rapidi e significativi.
Trasformare le cellule staminali in tessuti
La ricerca sulle cellule staminali è un campo di applicazione particolarmente interessante per la nuova tecnologia. "È noto che le cellule staminali possono trasformarsi in diversi tipi di tessuto, a seconda del loro ambiente", dice Aleksandr Ovsianikov. "Su una superficie dura, tendono a svilupparsi in cellule ossee, su un substrato morbido possono trasformarsi in neuroni." Nella struttura 3D generata dal laser la rigidità del substrato può essere regolata in modo da poter creare diversi tipi di tessuto.
