Il futuro della medicina è biologico e gli scienziati sperano che presto utilizzeremo tessuti biologicamente funzionali stampati in 3D per sostituire i tessuti irrimediabilmente danneggiati nel corpo. Un team di ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB ha lavorato con l'Università di Stoccarda per diversi anni su un progetto per sviluppare e ottimizzare bioinchiostri adatti per la produzione additiva. Variando la composizione del biomateriale, i ricercatori sono già riusciti ad espandere il loro portafoglio per includere inchiostri per ossa e vascolarizzazione. Ciò ha posto le basi per la produzione di strutture tissutali simili a ossa dotate di reti capillari.

La stampa 3D non sta solo guadagnando terreno nella produzione, ma sta anche assumendo un'importanza crescente nel campo della medicina rigenerativa. Gli scienziati ora sperano di utilizzare questo metodo di produzione additiva per creare scaffold tissutali biocompatibili su misura che sostituiranno i tessuti irrimediabilmente danneggiati. Un team di ricercatori del Fraunhofer IGB di Stoccarda sta anche lavorando su inchiostri a base biologica per la produzione di impianti biologici in laboratorio utilizzando tecniche di stampa 3D. Per creare un oggetto 3D nella forma preprogrammata desiderata, il team utilizza un approccio strato per strato per stampare una miscela liquida comprendente biopolimeri come gelatina o acido ialuronico, mezzo acquoso e cellule viventi. Questi bio-inchiostri rimangono in uno stato viscoso durante la stampa e vengono quindi esposti alla luce UV per reticolarli in reti polimeriche contenenti acqua chiamate idrogel.

Modificazione chimica mirata delle biomolecole

Gli scienziati possono modificare chimicamente le biomolecole per fornire ai gel risultanti diversi gradi di reticolazione e rigonfiamento. Ciò consente di imitare la consistenza del tessuto naturale, dagli idrogel più forti per la cartilagine ai gel più morbidi per il tessuto adiposo. Ampie regolazioni possono essere apportate anche al livello di viscosità:"A temperatura ambiente di 21 gradi Celsius, la gelatina è soda come la gelatina, che non va bene per la stampa. Per prevenire la gelificazione dipendente dalla temperatura e per consentirci di lavorarla indipendentemente dalla temperatura, 'mascheriamo' le catene laterali delle biomolecole responsabili della gelificazione della gelatina, " dice il dottor Achim Weber, capo del gruppo Sistemi e formulazioni a base di particelle, spiegando una delle principali sfide incontrate nel processo.

Un'ulteriore sfida è che la gelatina deve essere reticolata chimicamente per impedirne la liquefazione a temperature di circa 37 gradi. Per realizzare questo, è funzionalizzato due volte:in questo caso, il gruppo di ricerca ha optato per l'integrazione di gruppi metacrilici reticolabili nelle biomolecole sostituendo così varie parti del non reticolante, mascheramento dei gruppi acetile – un approccio unico nel campo della bioprinting. "Formuliamo inchiostri che offrono condizioni adeguate per diversi tipi di cellule e strutture tissutali, "dice la dottoressa Kirsten Borchers, responsabile dei progetti di bioprinting a Stoccarda.

In collaborazione con l'Università di Stoccarda, il team è recentemente riuscito a creare due diversi ambienti di idrogel:gel più rigidi con componenti minerali per soddisfare le cellule ossee, e gel più morbidi senza componenti minerali per consentire alle cellule dei vasi sanguigni di formarsi in strutture simili a capillari.

Inchiostri per ossa e vascolarizzazione

I ricercatori sono già riusciti a produrre inchiostro osseo sulla base del kit di materiali che hanno creato. Il loro obiettivo è consentire alle cellule processate nel kit di rigenerare il tessuto originale, in altre parole per formare il tessuto osseo stesso. Il segreto per creare l'inchiostro risiede in una speciale miscela di polvere minerale ossea idrossiapatite e biomolecole. "Il miglior ambiente artificiale per le cellule è quello che si avvicina di più alle condizioni naturali del corpo. Ecco perché il ruolo della matrice tissutale nei nostri tessuti stampati è svolto dai biomateriali che generiamo da elementi della matrice tissutale naturale, "dice lo scienziato.

L'inchiostro di vascolarizzazione forma gel morbidi che supportano la creazione di strutture capillari. Le cellule che formano i vasi sanguigni sono incorporate negli inchiostri. Le cellule si muovono, migrano l'uno verso l'altro e formano sistemi di reti capillari costituiti da piccole strutture tubolari. Se questo sostituto osseo dovesse essere impiantato, l'impianto biologico si collegherebbe al sistema dei vasi sanguigni del ricevente molto più velocemente di un impianto senza pre-strutture simili a capillari, come dettagliato nella letteratura pertinente. "Sarebbe probabilmente impossibile stampare in 3D strutture tissutali più grandi con successo senza inchiostro per vascolarizzazione, "dice Weber.

L'ultimo progetto di ricerca del team di Stoccarda riguarda lo sviluppo di matrici per rigenerare la cartilagine. "Qualunque tipo di cellula isoliamo dal tessuto corporeo e moltiplichiamo in laboratorio, dobbiamo creare un ambiente adatto in cui possano svolgere le loro funzioni specifiche per periodi di tempo più lunghi, " spiega il bioingegnere del team, Lisa Reber.

Il Fraunhofer IGB continua a portare avanti il ​​suo lavoro di ricerca nel Centro ad alte prestazioni per la personalizzazione di massa di Stoccarda nell'ambito di un'iniziativa congiunta con l'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria della produzione e l'automazione IPA e l'Università di Stoccarda. Il gruppo di lavoro interdisciplinare Additive4Life è responsabile della creazione di nuove tecnologie e biomateriali stampabili per il bioprinting.