I ricercatori della Penn State hanno sviluppato un nuovo bioinchiostro idrogel granulare nanotecnologico, utilizzato qui per stampare un'immagine del logo Nittany Lion. Questo bioinchiostro aiuta a raggiungere livelli di porosità, fedeltà della forma e integrazione cellulare mai raggiunti in precedenza durante la stampa 3D di biomateriali. Credito:fornito da Amir Sheikhi
Ogni giorno negli Stati Uniti, 17 persone muoiono in attesa di un trapianto d'organo e ogni nove minuti un'altra persona viene aggiunta alla lista d'attesa del trapianto, secondo la Health Resources and Services Administration. Una potenziale soluzione per alleviare la carenza è sviluppare biomateriali che possono essere stampati tridimensionalmente (3D) come forme di organi complesse, in grado di ospitare cellule e formare tessuti. I tentativi finora, tuttavia, sono falliti, con i cosiddetti bioinchiostri idrogel sfusi che non si sono integrati correttamente nel corpo e supportano le cellule nei costrutti di tessuto spesso.
Ora, i ricercatori della Penn State hanno sviluppato un nuovo bioinchiostro idrogel granulare nanoingegnerizzato che utilizza nanoparticelle autoassemblanti e microparticelle di idrogel, o microgel, per raggiungere livelli di porosità, fedeltà della forma e integrazione cellulare mai raggiunti prima.
Il team ha pubblicato il proprio approccio sulla rivista Small . Il loro lavoro sarà presentato sulla copertina del giornale.
"Abbiamo sviluppato un nuovo bioinchiostro idrogel granulare per la biostampa con estrusione 3D di scaffold microporosi di ingegneria tissutale", ha affermato l'autore corrispondente Amir Sheikhi, assistente professore di ingegneria chimica della Penn State che ha un appuntamento di cortesia in ingegneria biomedica. "Abbiamo superato i precedenti limiti della biostampa 3D di idrogel granulari legando in modo reversibile i microgel utilizzando nanoparticelle che si autoassemblano. Ciò consente la fabbricazione di bioinchiostro idrogel granulare con microporosità ben conservata, maggiore stampabilità e fedeltà della forma".
Ad oggi, la maggior parte dei bioinchiostri si è basata su idrogel sfusi - reti polimeriche che possono trattenere una grande quantità di acqua pur mantenendo la loro struttura - con pori su scala nanometrica che limitano le interazioni cellula-cellula e cellula-matrice, nonché il trasferimento di ossigeno e nutrienti. Richiedono inoltre la degradazione e/o il rimodellamento per consentire l'infiltrazione e la migrazione cellulare, ritardando o inibendo l'integrazione del tessuto bioinchiostro.
"Il principale limite della biostampa 3D che utilizza bioinchiostri idrogel convenzionali è il compromesso tra fedeltà della forma e vitalità cellulare, che è regolata dalla rigidità e dalla porosità dell'idrogel", ha affermato Sheikhi. "L'aumento della rigidità dell'idrogel migliora la fedeltà della forma del costrutto, ma riduce anche la porosità, compromettendo la vitalità cellulare".
Per superare questo problema, gli scienziati del settore hanno iniziato a utilizzare microgel per assemblare scaffold per l'ingegneria dei tessuti. Contrariamente agli idrogel sfusi, questi scaffold idrogel granulari sono stati in grado di formare costrutti 3D in situ, regolare la porosità delle strutture create e disaccoppiare la rigidità degli idrogel dalla porosità.
Tuttavia, la vitalità cellulare e la migrazione sono rimaste un problema, ha affermato Sheikhi. Per ottenere i tratti positivi durante il processo di stampa 3D, gli idrogel granulari devono essere ben confezionati insieme, compromettendo lo spazio tra i microgel e influendo negativamente sulla porosità, che a sua volta ha un impatto negativo sulla vitalità e la motilità cellulare.
L'approccio dei ricercatori della Penn State affronta il problema del "blocco" pur mantenendo i tratti positivi degli idrogel granulari aumentando la viscosità dei microgel l'uno con l'altro. I microgel si aggrappano l'uno all'altro, eliminando la necessità di un imballaggio stretto come risultato dell'autoassemblaggio interfacciale di nanoparticelle adsorbite dai microgel e preservando i pori su microscala.
"Il nostro lavoro si basa sulla premessa che le nanoparticelle possono adsorbire sulle superfici dei microgel polimerici e aderire reversibilmente i microgel l'uno all'altro, senza riempire i pori tra i microgel", ha affermato Sheikhi. "Il meccanismo di adesione reversibile si basa su nanoparticelle a carica eterogenea che possono conferire un legame dinamico a microgel poco confezionati. Tali legami dinamici possono formarsi o rompersi al rilascio o all'esercizio della forza di taglio, consentendo la biostampabilità 3D delle sospensioni di microgel senza imballarle densamente".
I ricercatori affermano che questa tecnologia può essere estesa ad altre piattaforme granulari costituite da microgel polimerici sintetici, naturali o ibridi, che possono essere assemblati tra loro utilizzando nanoparticelle simili o altri metodi fisici e/o chimici, come il legame reversibile indotto dalla carica , interazioni ospite-ospite o legami covalenti dinamici.
Secondo Sheikhi, i ricercatori hanno in programma di esplorare come il bioinchiostro granulare nanoingegnerizzato potrebbe essere ulteriormente applicato per l'ingegneria e la rigenerazione dei tessuti, modelli di organi/tessuti/malattie su chip e bioprinting 3D in situ di organi.
"Affrontando una delle sfide persistenti nella biostampa 3D di idrogel granulari, il nostro lavoro potrebbe aprire nuove strade nell'ingegneria dei tessuti e nella stampa di organi funzionali", ha affermato Sheikhi. + Esplora ulteriormente
