Cos’è il Bioprinting FRESH e come funziona?

Hai mai fantasticato sull’idea fantascientifica di curare le lesioni di un paziente in una vasca di rigenerazione galleggiante? Il fenomeno che rende possibile questa sospensione, il galleggiamento neutro, sembra aver ispirato i ricercatori nella ricerca di una soluzione per la stampa 3D con inchiostri morbidi e simili a liquidi, che avrebbero grandi difficoltà a mantenere la fedeltà di stampa in aria a causa delle forze di gravità che ne provocherebbero il collasso. Sebbene i fluidi di supporto a base acquosa, come quelli utilizzati nelle vasche di galleggiamento, non siano compatibili con gli idrogel a base acquosa ampiamente utilizzati nelle applicazioni di ingegneria tissutale, il concetto di stampa 3D all’interno di un bagno di supporto si è evoluto per ridurre al minimo gli effetti della gravità. A questo scopo vengono utilizzati materiali simili a gel, capaci di mostrare reversibilmente comportamenti solidi e liquidi, consentendo così la deposizione dell’idrogel al loro interno.

Nel mese di novembre abbiamo approfondito il bioprinting FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels), un approccio di bioprinting embedded specificamente ottimizzato per supportare la stampa di bioink morbidi, a bassa viscosità e con comportamento simile a quello dei liquidi, ampiamente utilizzati nelle applicazioni di ingegneria tissutale. In generale, il bioprinting 3D embedded può essere concepito come un processo in cui una camera di stampa viene riempita con un materiale di supporto, all’interno del quale biomateriali e cellule vengono depositati nello spazio tridimensionale mediante un estrusore a siringa. Il metodo FRESH consente quindi di stampare idrogel biologici non modificati, come il collagene di tipo I e la matrice extracellulare decellularizzata (ECM), utilizzando bioink ad alta densità cellulare per la fabbricazione di tessuti funzionali ingegnerizzati.

La principale sfida ingegneristica di questo approccio consiste nello sviluppare un materiale per il bagno di supporto in grado di sostenere le strutture morbide stampate durante l’estrusione e la reticolazione, consentendo al contempo un facile movimento dell’ago dell’estrusore attraverso il bagno di supporto durante la stampa. In particolare, dal punto di vista reologico, il materiale del bagno di supporto deve comportarsi come un solido al di sotto di una determinata soglia di sforzo di taglio applicato, ovvero lo sforzo di snervamento (yield stress), superata la quale passa da un comportamento solido a un comportamento simile a quello di un liquido.
Intorno all’ago, il comportamento simile a quello di un liquido del bagno di supporto (sforzo di taglio applicato superiore allo sforzo di snervamento) consente un facile movimento dell’ago. Una volta che l’ago si allontana, il bagno di supporto si risolidifica (sforzo di taglio applicato inferiore allo sforzo di snervamento). Lo sforzo di snervamento ottimale del bagno di supporto dipende dai materiali da stampare, dal diametro e dalla lunghezza dell’ago e dai parametri di processo, come la velocità di stampa [1].

Il metodo di stampa FRESH presenta diversi vantaggi notevoli. Innanzitutto, la sua versatilità. Anche se FRESH è stato originariamente descritto utilizzando un bagno di supporto a base di gelatina [2], lo sviluppo di diversi tipi di bagni ha permesso di stampare materiali morbidi con la più ampia gamma di meccanismi di gelificazione (Figura 1). Inoltre, dato che gli agenti reticolanti sono mescolati nel bagno, il filamento di bio-inchiostro estruso viene immediatamente esposto al liquido su tutti i lati, il che avvia rapidamente un processo di gelificazione simultaneo. Questo è in contrasto con la stampa all’aria, dove i modi per avviare la gelificazione sono limitati. In secondo luogo, il bagno di supporto offre un ambiente che previene la morte cellulare e mantiene un’elevata vitalità cellulare durante il processo di stampa. Oltre al controllo della temperatura, la parte acquosa del bagno di supporto può essere composta da terreni di coltura cellulare, fattori di crescita o qualsiasi altra biomolecola volta a proteggere la sopravvivenza delle cellule. Di conseguenza, il terzo vantaggio principale di questa tecnica è la dimensione dei costrutti che si possono stampare. Finora, la maggior parte dei costrutti tissutali bio-stampati in 3D era relativamente piccola rispetto ai tessuti o agli organi che dovrebbero sostituire. FRESH è già stata utilizzata per creare un modello fisico del cuore umano in scala neonatale a base di collagene di tipo I, partendo dai dati di risonanza magnetica [3]. E i ricercatori affermano che questa tecnica ha il potenziale per diventare una tecnologia di produzione additiva scalabile, in grado di produrre tessuti a grandezza naturale basati sui dati anatomici specifici del paziente.