Articolo su Rheolution
Metodi per la stampa 3D di scaffold a base di alginato
della dott.ssa Dimitria Bonizol Camasao,
Senior Application Specialist presso Rheolution Inc.
Nel primo mese del 2022 ci siamo concentrati sugli idrogel di alginato utilizzati nell’ingegneria tissutale e nelle applicazioni di somministrazione di farmaci. Come già discusso nel prima pubblicazione su questo argomento, l’alginato Viene comunemente usato come bio-inchiostro nella biostampa 3D per creare strutture tridimensionali (scaffold) che contengono cellule o molecole bioattive, a seconda dell’applicazione. Una caratteristica particolare delle soluzioni di alginato è la loro capacità di reticolarsi rapidamente (cioè di legare tra loro le molecole) in presenza di ioni (ad esempio, Ca²⁺), dando origine a un idrogel coeso che può essere preparato in diverse forme. Inoltre, le loro proprietà meccaniche finali possono essere regolate (almeno in una certa misura) variando i componenti utilizzati nella loro preparazione.
Nella seconda pubblicazione a gennaio 2022, gli idrogel di alginato sono stati reticolati con una soluzione di CaCl₂ a diverse concentrazioni e con tempi crescenti. Capire il comportamento di una formulazione specifica durante la reticolazione, come il tempo di inizio e la velocità di gelificazione, nonché il potenziale rigonfiamento e restringimento legati a questo processo di gelificazione, è fondamentale per progettare meglio gli esperimenti, soprattutto per la stampa 3D.
Per la tecnica di stampa 3D a estrusione, sono stati sviluppati numerosi metodi per stampare strutture 3D in alginato. La soluzione di alginato ha una viscosità relativamente bassa e, per poterla stampare allo stato puro e poi reticolarla, serve un’ottimizzazione laboriosa del protocollo. Ad esempio, i produttori di bioinchiostri dispongono di protocolli dettagliati, sviluppati per stampare i propri bioinchiostri a una concentrazione specifica, entro gli intervalli da loro consigliati per velocità di stampa, pressione di estrusione, dimensione dell’ugello, temperatura e altri parametri. Un esempio è l’alginato utilizzato in una delle nostre note applicative pubblicate . Cellink ha sviluppato un dettagliato protocollo per la stampa del loro bio-inchiostro nelle loro stampanti 3D a estrusione.
Quando non c’è un protocollo pronto all’uso per la stampa con una soluzione di alginato puro, o è difficile da trovare, sono stati sviluppati anche altri metodi per ovviare alla sua bassa viscosità. Tra i metodi descritti ci sono (Sezione A nella Figura 1) la reticolazione preliminare della soluzione di alginato nel cilindro della siringa con una soluzione di CaCl₂ per un massimo di 30 minuti prima della stampa [1,2], (Sezione B della Figura 1) l’uso di un ago coassiale con l’alginato e la soluzione di CaCl₂ rispettivamente nel guscio e nel nucleo, per una reticolazione rapida non appena escono dall’ago durante il processo di stampa [3], e, cosa molto comune, (Sezione C nella Figura 1) la miscelazione con altri biomateriali come gelatina, agar, PEG e altri per migliorare la stampabilità immediata [4].
Inoltre, un metodo di stampa relativamente nuovo, consigliato per migliorare la fedeltà di stampa dei biomateriali morbidi e noto come Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH), può essere utilizzato anche per stampare strutture in alginato puro [5]. In questa tecnica (Sezione D nella Figura 1), il bio-inchiostro viene estruso in un bagno di supporto composto da un idrogel sacrificiale che lo mantiene in posizione finché non si gelifica. Nel caso dell’alginato, il bagno di supporto dovrebbe contenere anche cloruro di calcio per innescare la reticolazione. Nel complesso, la stampa FRESH offre una combinazione impareggiabile di possibilità in termini di bioinchiostri, risoluzione, dimensioni e complessità geometrica 3D che puoi utilizzare e/o ottenere.
Inoltre, un metodo di stampa relativamente nuovo, consigliato per migliorare la fedeltà di stampa dei biomateriali morbidi e noto come Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH), può essere utilizzato anche per stampare strutture in alginato puro [5]. In questa tecnica (Sezione D nella Figura 1), il bio-inchiostro viene estruso in un bagno di supporto composto da un idrogel sacrificiale che lo mantiene in posizione finché non si gelifica. Nel caso dell’alginato, il bagno di supporto dovrebbe contenere anche cloruro di calcio per innescare la reticolazione. Nel complesso, la stampa FRESH offre una combinazione impareggiabile di possibilità in termini di bioinchiostri, risoluzione, dimensioni e complessità geometrica 3D che puoi utilizzare e/o ottenere.
Che sia puro o miscelato con altri biomateriali, l’alginato conferisce allo scaffold una biocompatibilità intrinseca, un costo relativamente basso, una bassa tossicità e una gelificazione delicata e regolabile con l’aggiunta di cationi bivalenti, che sono fattori importanti per l’incapsulamento di cellule o molecole bioattive.
ElastoSens™ Bio
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Riferimenti
[1] Freeman, F. E., & Kelly, D. J. (2017). Regolazione della rigidità e della composizione dell’inchiostro biologico a base di alginato per il rilascio controllato di fattori di crescita e per orientare spazialmente il destino delle MSC all’interno dei tessuti biostampati. Scientific Reports, 7(1), 1-12.
[2] Daly, A. C., Critchley, S. E., Rencsok, E. M. e Kelly, D. J. (2016). Un confronto tra diversi bioinchiostri per la biostampa 3D di fibrocartilagine e cartilagine ialina. Biofabrication, 8(4), 045002.
[3] Zhang, Y., Yu, Y., Chen, H. e Ozbolat, I. T. (2013). Caratterizzazione di canali microfluidici cellulari stampabili per l’ingegneria tissutale. Biofabbricazione, 5(2), 025004.
[4] Mallakpour, S., Azadi, E. e Hussain, C. M. (2021). Lo stato dell’arte della tecnologia di stampa 3D degli idrogel a base di alginato: una tecnica emergente per applicazioni industriali. Advances in Colloid and Interface Science, 102436.
[5] Shiwarski, D. J., Hudson, A. R., Tashman, J. W. e Feinberg, A. W. (2021). L’affermazione della stampa 3D FRESH come piattaforma per la biofabbricazione avanzata di tessuti. APL bioengineering, 5(1), 010904.
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