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Oct 26, 2023

Metodo innovativo e semplice per progettare una piattaforma che imita i vasi sanguigni

June 26, 2020

26 giugno 2020

dall'Università di Tecnologia e Design di Singapore

Il sistema circolatorio funge da infrastruttura critica per il trasporto di massa di nutrienti e facilita lo scambio di gas e prodotti di scarto dagli organi del corpo umano. Questi vasi sanguigni sono sottoposti ad una costante esposizione alla pressione idrodinamica del flusso sanguigno, nonché al ritmo di contrazione e rilassamento esercitato dai tessuti che li circondano. L'esposizione a questi stimoli può innescare una cascata di risposte cellulari che possono dare origine a condizioni avverse come trombosi e infiammazione dei vasi sanguigni.

Queste risposte cellulari agli eventi sono note come meccanotrasduzione, il processo di conversione dei segnali meccanici in segnali chimici nel corpo. Sebbene i ricercatori siano riusciti a progettare modelli di malattia che imitano vari disturbi nei vasi sanguigni, la capacità di incorporare lo shear stress simultaneo dal flusso sanguigno e lo stress da allungamento era ancora considerata difficile da replicare.

I ricercatori dell'Onoe Research Group dell'Università di Keio (Keio U) hanno collaborato con il Soft Fluidics Lab dell'Università di Tecnologia e Design di Singapore (SUTD) per sviluppare e fabbricare un microcanale basato su matrice extracellulare (ECM) che consente di fornire stimoli meccanici dovuti alla perfusione e allo stiramento simultaneamente . Questo metodo semplice ha permesso ai ricercatori di creare una complessa rete di microcanali in una ECM che somigliava ai tessuti umani mediante stampaggio sacrificale.

In questo approccio, lo stampo è stato inizialmente modellato con biforcazioni e dimensioni a cascata di soli 0,2 mm di larghezza. Per stampare lo stampo sacrificale realizzato con alcol polivinilico (PVA) è stata utilizzata una stampante 3D di modellazione a deposizione fusa (FDM) disponibile in commercio e ovunque disponibile. A differenza di un metodo consolidato come lo stampaggio di repliche in cui erano necessarie più fasi di assemblaggio e allineamento per creare microcanali con geometria 3D, lo stampaggio sacrificale ha consentito la rapida fabbricazione di microcanali in varie matrici. Lo stampo è stato incorporato interamente in una ECM (gelatina), polimerizzata con transglutaminasi; sigillatura, allineamento o impilamento non erano necessari durante la realizzazione della piattaforma per i vasi sanguigni e il tessuto circostante.

"Poiché lo stampo in PVA è rimovibile in acqua, il processo di fabbricazione è stato interamente completato utilizzando solo acqua. Ciò è importante per garantire la biocompatibilità dei microcanali fabbricati", ha affermato Jason Goh, Ph.D. studioso presso SUTD.

"Lo stampaggio sacrificale di uno stampo stampato in 3D per la modellazione della deposizione fusa offre un'ampia libertà di progettazione e potenzia la fabbricazione di una piattaforma più rilevante dal punto di vista fisiologico", ha aggiunto il professore assistente Michinao Hashimoto della SUTD.

Le cellule endoteliali umane sono state facilmente coltivate sulla superficie del microcanale per formare un tubo che imita i vasi sanguigni. Il comportamento caratteristico dei vasi sanguigni, come il flusso pulsatile, è stato ottenuto con successo in condizioni di perfusione e allungamento. Questa piattaforma per i vasi sanguigni è servita ad ampliare lo spettro di applicabilità degli attuali modelli vascolari in vitro per studiare le condizioni patologiche in un modo più fisiologicamente rilevante.

"Abbiamo dimostrato con successo di poter progettare sostituti dei vasi sanguigni con sufficiente resistenza meccanica per resistere alla pressione dei fluidi applicati e allo stiramento presenti nel corpo umano. La piattaforma sarà utile per comprendere i meccanismi delle malattie vascolari", ha affermato Azusa Shimizu, l'autore principale e uno studente di Master e il professore associato Hiroaki Onoe di Keio U, Giappone.

Il lavoro di ricerca è stato pubblicato e messo in risalto nella copertina interna di Lab on a chip, la principale rivista che copre il lavoro originale relativo alla miniaturizzazione al di sotto della microscala e all'interfaccia tra progressi tecnologici e applicazioni di grande impatto. Azusa Shimizu (Keio U) ha collaborato con Jason Goh (SUTD) e Shun Itai (Keio U). Altri ricercatori senior del progetto includono il dottor Shigenori Miura dell'Università di Tokyo.