Un nuovo modo di realizzare impalcature per colture biologiche potrebbe consentire di far crescere cellule molto uniformi per forma e dimensione, e potenzialmente con determinate funzioni. Il nuovo approccio utilizza una forma estremamente fine di stampa 3D, utilizzando un campo elettrico per disegnare fibre un decimo della larghezza di un capello umano.

Il sistema è stato sviluppato da Filippos Tourlomousis, un postdoc al Center for Bits and Atoms del MIT, e altri sei al MIT e allo Stevens Institute of Technology nel New Jersey. Il lavoro viene riportato oggi sulla rivista Microsistemi e Nanoingegneria .

Molte funzioni di una cellula possono essere influenzate dal suo microambiente, quindi un'impalcatura che consente un controllo preciso su quell'ambiente può aprire nuove possibilità per la coltura di cellule con caratteristiche particolari, per la ricerca o eventualmente anche per uso medico.

Mentre la normale stampa 3D produce filamenti fino a 150 micron (milionesimi di metro), Tourlomousis dice, è possibile ottenere fibre fino a larghezze di 10 micron aggiungendo un forte campo elettrico tra l'ugello di estrusione della fibra e il piano su cui viene stampata la struttura. La tecnica è chiamata elettroscrittura a fusione.

"Se prendi le cellule e le metti su una superficie stampata in 3D convenzionale, è come una superficie 2-D per loro, " lui spiega, perché le cellule stesse sono molto più piccole. Ma in una struttura a rete stampata con il metodo dell'elettroscrittura, la struttura è alla stessa scala dimensionale delle cellule stesse, e quindi le loro dimensioni e forme e il modo in cui formano adesioni al materiale possono essere controllate regolando la microarchitettura porosa della struttura reticolare stampata.

"Essendo in grado di stampare fino a quella scala, produci un vero ambiente 3D per le cellule, "dice Tourlomousis.

Lui e il team hanno quindi utilizzato la microscopia confocale per osservare le cellule cresciute in varie configurazioni di fibre fini, alcuni casuali, alcuni disposti con precisione in maglie di diverse dimensioni. Il gran numero di immagini risultanti è stato quindi analizzato e classificato utilizzando metodi di intelligenza artificiale, correlare i tipi cellulari e la loro variabilità con i tipi di microambiente, con diverse distanze e disposizioni delle fibre, in cui sono cresciuti.

Le cellule formano proteine ​​note come adesioni focali nei punti in cui si attaccano alla struttura. "Le aderenze focali sono il modo in cui la cellula comunica con l'ambiente esterno, " dice Tourlomousis. "Queste proteine ​​hanno caratteristiche misurabili in tutto il corpo cellulare che ci permette di fare la metrologia. Quantifichiamo queste caratteristiche e le usiamo per modellare e classificare in modo abbastanza preciso le singole forme cellulari".

Per una data struttura a rete, lui dice, "mostriamo che le cellule acquisiscono forme che sono direttamente accoppiate con l'architettura del substrato e con i substrati elettroscritti fusi, "promuovendo un alto grado di uniformità rispetto al nontessuto, substrati strutturati casualmente. Tali popolazioni cellulari uniformi potrebbero essere potenzialmente utili nella ricerca biomedica, dice:"È ampiamente noto che la forma delle cellule governa la funzione cellulare e questo lavoro suggerisce un percorso guidato dalla forma per l'ingegneria e la quantificazione delle risposte cellulari con grande precisione, " e con grande riproducibilità.

Dice che in un lavoro recente, lui e il suo team hanno dimostrato che alcuni tipi di cellule staminali cresciute in tali maglie stampate in 3D sono sopravvissute senza perdere le loro proprietà molto più a lungo di quelle coltivate su un substrato bidimensionale convenzionale. Così, ci possono essere applicazioni mediche per tali strutture, forse come un modo per far crescere grandi quantità di cellule umane con proprietà uniformi che potrebbero essere utilizzate per i trapianti o per fornire il materiale per la costruzione di organi artificiali, lui dice. Il materiale utilizzato per la stampa è un polimero fuso che è già stato approvato dalla FDA.

La necessità di un controllo più stretto sulla funzione cellulare è un grosso ostacolo per portare i prodotti di ingegneria tissutale alla clinica. Eventuali passaggi per stringere le specifiche sull'impalcatura, e quindi anche stringere la varianza nel fenotipo cellulare, sono molto necessarie per questo settore, dice Tourlomousis.

Il sistema di stampa potrebbe avere anche altre applicazioni, dice Tourlomousis. Per esempio, potrebbe essere possibile stampare "metamateriali":materiali sintetici con strutture stratificate o modellate che possono produrre proprietà ottiche o elettroniche esotiche.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.