I nanoingegneri dell'Università della California a San Diego hanno stampato in 3D un realistico, rete funzionale di vasi sanguigni che potrebbe aprire la strada a organi artificiali e terapie rigenerative.

La nuova ricerca, guidato dal professore di nanoingegneria Shaochen Chen, affronta una delle più grandi sfide nell'ingegneria dei tessuti:creare tessuti e organi realistici con una vascolarizzazione funzionante, reti di vasi sanguigni in grado di trasportare il sangue, nutrienti, rifiuti e altri materiali biologici, e lo fanno in modo sicuro quando impiantati all'interno del corpo.

I ricercatori di altri laboratori hanno utilizzato diverse tecnologie di stampa 3D per creare vasi sanguigni artificiali. Ma le tecnologie esistenti sono lente, costose e producono principalmente strutture semplici, come un singolo vaso sanguigno, un tubo, fondamentalmente. Questi vasi sanguigni inoltre non sono in grado di integrarsi con il sistema vascolare del corpo.

"Quasi tutti i tessuti e gli organi hanno bisogno di vasi sanguigni per sopravvivere e funzionare correttamente. Questo è un grosso collo di bottiglia nel fare trapianti di organi, che sono molto richiesti ma scarseggiano, " disse Chen, che guida i Nanobiomateriali, biostampa, e laboratorio di ingegneria dei tessuti presso la UC San Diego. "Gli organi di bioprinting 3D possono aiutare a colmare questa lacuna, e il nostro laboratorio ha fatto un grande passo avanti verso questo obiettivo".

Il laboratorio di Chen ha stampato in 3D una rete vascolare che può integrarsi in sicurezza con la rete del corpo per far circolare il sangue. Questi vasi sanguigni si diramano in molte serie di vasi più piccoli, simile alle strutture dei vasi sanguigni presenti nel corpo. L'opera è stata pubblicata in Biomateriali .

Il team di Chen ha sviluppato un'innovativa tecnologia di bioprinting, utilizzando le proprie stampanti 3D fatte in casa, per produrre rapidamente complesse microstrutture 3D che imitano i sofisticati design e le funzioni dei tessuti biologici. Il laboratorio di Chen ha utilizzato questa tecnologia in passato per creare tessuto epatico e pesci microscopici che possono nuotare nel corpo per rilevare e rimuovere le tossine.

I ricercatori creano prima un modello 3D della struttura biologica su un computer. Il computer trasferisce quindi le istantanee 2D del modello a milioni di specchi di dimensioni microscopiche, ognuno dei quali è controllato digitalmente per proiettare modelli di luce UV sotto forma di queste istantanee. I modelli UV vengono lucidati su una soluzione contenente cellule vive e polimeri sensibili alla luce che si solidificano dopo l'esposizione alla luce UV. La struttura viene stampata rapidamente uno strato alla volta, in modo continuo, creando un'impalcatura polimerica solida 3D che incapsula cellule vive che cresceranno e diventeranno tessuto biologico.

"Possiamo stampare direttamente strutture microvascolari dettagliate ad altissima risoluzione. Altre tecnologie di stampa 3D producono l'equivalente di strutture "pixelate" in confronto e di solito richiedono materiali sacrificali e passaggi aggiuntivi per creare i vasi, " disse Wei Zhu, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Chen e un ricercatore capo del progetto.

E l'intero processo richiede solo pochi secondi:un enorme miglioramento rispetto ai metodi di bioprinting concorrenti, che normalmente impiegano ore solo per stampare strutture semplici. Il processo utilizza anche materiali poco costosi e biocompatibili.

Il team di Chen ha utilizzato l'imaging medico per creare un modello digitale di una rete di vasi sanguigni trovata nel corpo. Usando la loro tecnologia, hanno stampato una struttura contenente cellule endoteliali, che sono cellule che formano il rivestimento interno dei vasi sanguigni.

L'intera struttura si inserisce su una piccola area di 4 millimetri × 5 millimetri, 600 micrometri di spessore (spesso come una pila contenente 12 ciocche di capelli umani).

I ricercatori hanno coltivato diverse strutture in vitro per un giorno, poi innestato i tessuti risultanti nelle ferite della pelle dei topi. Dopo due settimane, i ricercatori hanno esaminato gli impianti e hanno scoperto che erano cresciuti con successo e si erano fusi con la rete di vasi sanguigni dell'ospite, permettendo al sangue di circolare normalmente.

Chen ha notato che i vasi sanguigni impiantati non sono ancora in grado di svolgere altre funzioni, come il trasporto di sostanze nutritive e rifiuti. "Abbiamo ancora molto lavoro da fare per migliorare questi materiali. Questo è un passo promettente verso il futuro della rigenerazione e riparazione dei tessuti, " Egli ha detto.

Andando avanti, Chen e il suo team stanno lavorando alla costruzione di tessuti specifici per il paziente utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo, che impedirebbe ai trapianti di essere attaccati dal sistema immunitario del paziente. E poiché queste cellule derivano dalle cellule della pelle di un paziente, i ricercatori non avranno bisogno di estrarre alcuna cellula dall'interno del corpo per costruire nuovi tessuti. L'obiettivo finale del team è spostare il proprio lavoro verso gli studi clinici. "Ci vorranno almeno diversi anni prima di raggiungere questo obiettivo, " disse Chen.