Un team di ricercatori dell’Università di Rice (Usa), ha elaborato una strategia promettente per generare delle reti vascolari, che sono tra le strutture più complesse da replicare del corpo umano.
Utilizzando polvere di zucchero e la tecnologia SLS- sinterizzazione laser selettiva- i ricercatori sono stati in grado di costruire grandi strutture derivate da complesse, ramificate e intricate reti di zucchero, che si sciolgono successivamente per creare percorsi per il sangue nei tessuti sviluppati in laboratorio.
Questo è l’ultimo e più recente risultato ottenuto dal team nella costruzione di complesse reti vascolari per tessuti ingegnerizzati, ed è già stato dimostrato che potrebbero tenere in vita per due settimane cellule densamente articolate.
Le scoperte del loro studio – pubblicato sul giornale Nature Biomedical Engineering- dimostrano come lo sviluppo di nuove tecnologie e materiali per riprodurre le complesse reti gerarchiche dei vasi sanguigni, permette di fornire ossigeno e nutrienti ad un numero sufficiente di cellule per ottenere una funzione terapeutirca significativa a lungo termine.
“Uno dei più grandi ostacoli nell’ingegnerizzare tessuti clinicamente rilevanti è l’imballaggio di una grande struttura di tessuto con centinaia di milioni di cellule viventi” ha detto l’autore principale dello studio Ian Kinstlinger, studente lauerato in bio-ingegneria alla Brown School of Engineering di Rice. “Fornire ossigeno e nutrienti sufficienti a tutte le cellule attraveso un volume così alto di tessuti, diventa un’impresa monumentale.La natura ha risolto questo problema attraverso l’evoluzione di complesse reti vascolari, che si intrecciano attraverso i nostri tessuti e organi in schemi che ricordano i rami degli alberi. Con l’allontanarsi dal tronco centrale i vasi sanguigni diventano simultaneamente meno spessi, ma più numerosi, permettendo all’ossigeno e alle sostanze nutritive di essere distribuite in modo efficente alle cellule in tutto il corpo.”
Service stampa 3D
Superare le complicazioni della vascolarizzazione della stampa 3D è rimasta una sfida critica per decenni nella progettazione dei tessuti, poiché solo alcuni dei processi di stampa 3D si sono avvicinati a imitare le condizioni in vivo richieste per generare vasi sanguigni.
SEnza esse, il futuro della stampa 3D di organi e tessuti per il trapianto rimane vago.
Molti organi hanno unici e intricati vasi sanguigni, come i reni, che sono altamente vascolarizzati e normalmente rivecono 1/5 della gittata cardiaca, oppure il fegato, che riceve oltre il 30% del flusso sanguigno dal cuore. Fin’ora, il trapianto di reni è mondialmente il tipo di trapianto più comune, seguito dal trapianto di fegato, rendendo così cruciale per gli esperti di medicina rigenerativa affrontare la vascolarizzazione.
Negli ultimi anni, sono state sviluppate tecniche di stampa 3D basate sull’estrusione perla progettazione di tessuto vascolare, però gli autori di questo atudio hano ritenuto che il metodo presentasse alcune sfide, che li hanno portati a usare un cutter laser opern source modificato per la stampa 3D dei modelli di zucchero nel laboratorio del co-autore Jordan Miller, un assistente professore di bioingegneria presso Rice.
Miller ha cominciato a lavorare all’approccio della sinterizzazione laser poco dopo essere entrato a Rice, nel 2013. Il rpocesso di stampa 3D fonde minuscoli grani di polvere in oggetti 3D solidi, rendendo possibile alcune strutture molto complesse e dettagliate. Al contrario dell’FDM, la sinterizzazione laser agisce fondendo delicatamente piccole regioni, sopra un letto pieno di polvere secca.
Secondo Miller “sia l’estrusione che la sinterizzaizone laser costruiscono forme 3D un layer 2D per volta, ma grazie al laser è possibile creare strutture che sarebbero soggette a collasso se estruse.”
Regole per stampare 3D
“Ci sono alcune strutture architettoniche -come sbalzi, reti ramificate e multivascolari- che non rendono bene con la stampa ad estrusione” dice Miller, il quale ha dimostrato il concetto di templatura dello zucchero con una stampante 3D a estrusione, durante i suoi studi post dottorato all’università della Pennsylvania. “SLS ci dà più controllo in tutte e 3 le dimensioni, permettendoci di accedere facilmente a topologie complesse mentre si preserva l’utilità del materiale zuccherino.”
Sviluppare nuovi processi di stampa 3D e biomateriali per la vascolarizzazione è tra i priorità più alte al laboratorio di bioingegneria di Miller a Rice. In quel laboratorio c’è una lunga storia sull’uso di materiale zuccherino per la costruzione di modelli di rete vascolare.
Miller ha già raccontato in passato come lo zucchero sia compatibile col corpo umano, strutturalmente forte e, generalmente, un buon materiale per la stampa 3D delle forme dei vasi sanguigni.
La sua ispirazione per questo progetto è stato un tipo particolare di dessert molto intricato.
Per la creazione dei tessuti, Kinstliger ha scelto una speciale miscela di zuccheri per la stampa dei modelli;
poi ha riempito il volume circostante la rete zuccherina con un miscuglio di celle in un gel liquido.
Nell’arco di qualche minuto, il gel si è solidificato e lo zucchero dissolto, lasciando così un passaggio aperto per sostanze nutritive e ossigeno.
Lo zucchero è stata un’ottima scelta per via della sua durabilità una volta asciutto e la velocità nel disciogliersi nell’acqua senza danneggiare le cellule vicine.
Per creare le strutture vascolari simili a quelle degli alberi, i ricercatori hanno sviluppato un algoritmo, in collaborazione con Nervous System, uno studio di design che usa simulazioni al computer per creare arti uniche, gioielli e articoli per la casa, che sono ispirati da motivi che si possono trovare in natura. Dopo la creazione dei tessuti modellati con queste architetture vascolari tramite computer, il team ha dimostrato la semina delle cellule endoteliali all’interno dei canali e si è concentrato sullo studio della sopravvivenza e della funzione delle cellule cresciute attorno al tessuto, che includeva le cellule epatiche dei roditori, chiamate epatociti.
L’esperimento sulle cellule epatocidi è stato condotto in collaborazione con la bioingegneria e co-autorice dello studio, Kelly Stevens dell’Università di Washington. Il suo gruppo di ricerca si specializza nello studio delle suddette cellule delicate, che sono notoriamente difficili da mantenere fuori dal corpo.
“Questo metodo potrebbe essere utilizzato con una gamma più ampia di materiali, rispetto a molte altre tecnologie di biostampa. Lo rende incredibilmente versatile” spiega Stevens.
I risultati dello studio hanno permesso al team di continuare il loro lavoro verso la creazione di tessuti ingegnerizzati rilevanti per la traslazione.
Usare lo zucchero come ingrediente speciale e la tecnologia SLS potrebbe aiutare l’avanzata del settore verso l’imitazione della funzione delle reti vascolari nel corpo, fino alla distribuzione di ossigeno e sostanze nutritive sufficienti a tutte le cellule attraverso un gran volume di tessuti.