Notizia

Oct 27, 2023

Biostampa 3D in situ con bioinchiostro biocemento

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3597 (2022) Citare questo articolo

9906 accessi

23 citazioni

15 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

La bioprinting in situ è ​​interessante per depositare direttamente il bioinchiostro terapeutico sugli organi difettosi per ripararli, soprattutto per occupazioni come soldati, atleti e conducenti che possono essere feriti in caso di emergenza. Tuttavia, il bioinchiostro tradizionale mostra evidenti limitazioni nei suoi complessi ambienti operativi. Qui, progettiamo un bioinchiostro biocemento con microgel carichi di cellule elettrospray come soluzione aggregata e precursore di gelatina metacriloil (GelMA) come cemento. La promettente stampabilità è garantita con un ampio intervallo di temperature che beneficiano delle robuste proprietà reologiche dell'aggregato di microgel fotoreticolato e della fluidità del cemento GelMA. I componenti compositi si autoadattano simultaneamente alla biocompatibilità e al diverso microambiente meccanico dei tessuti. Un forte legame sull'interfaccia tessuto-idrogel si ottiene mediante legami idrogeno e attrito quando il cemento viene fotoreticolato. Questo bioinchiostro possiede una buona portabilità e può essere facilmente preparato in caso di incidenti urgenti. Nel frattempo, i microgel possono essere coltivati ​​in mini tessuti e quindi miscelati come aggregati di bioinchiostri, indicando che il nostro biocemento può essere funzionalizzato più velocemente dei normali bioinchiostri. I risultati della riparazione dei difetti cranici verificano la superiorità di questo bioinchiostro e il suo potenziale nei contesti clinici richiesti nel trattamento in situ.

Come trattamento emergente per i difetti degli organi, il "bioprinting in situ"1 inizialmente proposto da Campbell2. ha catturato l'attenzione in clinica. In breve, il bioinchiostro terapeutico viene depositato direttamente sulle ferite dei pazienti da biostampanti chirurgiche lungo percorsi in base alle loro morfologie 3D3. Attualmente utilizza principalmente metodi simili per la bioprinting in vitro ed è stato applicato nei trattamenti della pelle, della cartilagine e delle ossa4. Rispetto all'impianto di organi basato sulla bioprinting 3D in vitro, presenta maggiori vantaggi per la sua funzione di deposizione in situ (Nota integrativa 1).

Tuttavia, la biostampa in situ è ​​rudimentale ed è stata limitata nelle applicazioni cliniche. Oltre alla mancanza di biostampanti in situ affidabili4, uno dei motivi principali è che esiste un bioinchiostro meno adatto a soddisfare i suoi requisiti speciali. Negli studi pertinenti esistenti, il bioinchiostro applicato è per lo più simile a quello del bioprinting in vitro, vale a dire la soluzione precursore, che non è una scelta promettente per il bioprinting in situ. (i) Nella maggior parte dei casi di bioprinting in situ, non esistono condizioni per controllare rigorosamente le proprietà reologiche del bioinchiostro, in particolare del bioinchiostro termosensibile. (ii) A differenza dei basamenti riceventi con superficie pulita e temperatura controllabile sulle biostampanti in vitro, la biostampa in situ ha uno speciale basamento ricevente, vale a dire le ferite del paziente con una temperatura costante (37 °C) e sangue, che può far collassare il stampato struttura prima della reticolazione. (iii) Il bioinchiostro reticolato dovrebbe possedere un basso modulo meccanico affinché le cellule incapsulate possano esercitare funzioni terapeutiche. (iv) Le strutture dovrebbero avere elevate proprietà meccaniche corrispondenti al difetto, proteggendosi dai danni durante la riparazione, il che, tuttavia, porta a un'enorme contraddizione con il requisito (iii). La costruzione di strutture composite, ovvero la stampa di robuste impalcature seguita dalla fusione di idrogel morbido, è diventata una soluzione efficace5,6,7,8. Tuttavia, un processo di stampa così complesso non può essere realizzato nella biostampa in situ. (v) Si dovrebbe formare una forte forza legante sull'interfaccia della struttura stampata con difetti. (vi) Il bioinchiostro in situ dovrebbe essere portatile e facilmente preparabile per occupazioni come soldati, atleti e conducenti che possono essere feriti in caso di emergenza.

I microgel sono diventati strutture di bioprinting popolari nella terapia cellulare9, nel rilascio controllato di farmaci10, nella modellazione di malattie11, ecc., e sono stati proposti molti metodi di fabbricazione12,13,14,15,16. Recentemente, oltre all'unità funzionale indipendente, nella revisione sui microgel pubblicata su Nature Reviews da Burdick et al. 17 nel 2020, è stata prevista l'ampia applicazione del "bioprinting secondario"18,19,20,21 dei microgel come componente del bioinchiostro in futuro. Nell'ultimo lavoro di Alge et al. 22 pubblicato su Science Advances nel 2021, è stata presentata un'indagine approfondita sul processo di dissipazione dei microgel durante la stampa. Wang et al. 9 microgel di alginato iniettati per riparare il difetto degli organi del ratto. Burdick et al. 23,24 microgel raccolti estrusi per stabilire strutture 3D specifiche. Tutta la ricerca ha beneficiato non solo della promettente biocompatibilità dei microgel ma anche delle loro proprietà reologiche uniche simili al fluido di Bingham25,26,27, che si presenta come elastomero al di sotto di un certo stress ma scorre come fluido di Newton una volta che lo stress è stato ulteriormente aumentato. Pertanto, il bioinchiostro basato su microgel ha il potenziale per essere ulteriormente progettato come un nuovissimo bioinchiostro clinico per la biostampa in situ per adattare i complicati requisiti.