{"id":70856,"date":"2022-05-31T11:18:23","date_gmt":"2022-05-31T15:18:23","guid":{"rendered":"https:\/\/rheolution.com\/?p=70856"},"modified":"2026-09-28T17:04:31","modified_gmt":"2026-09-28T21:04:31","slug":"bioprinting-4d-utilizza-biomateriali-in-continua-evoluzione","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/rheolution.com\/it\/articoli-rheolution\/bioprinting-4d-utilizza-biomateriali-in-continua-evoluzione\/","title":{"rendered":"Cos\u2019\u00e8 il bioprinting 4D e la sua importanza in biomedicina"},"content":{"rendered":"\t\t
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Articolo su Rheolution<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Cos\u2019\u00e8 il bioprinting 4D e la sua importanza in biomedicina<\/h1>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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del dott. Antoine Frayssinet<\/a>
Senior Application Specialist presso Rheolution Inc.<\/p><\/div><\/div><\/div><\/div>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Cosa rende il bioprinting 4D diverso dalla stampa 3D?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Gli oggetti stampati in 3D e ricoperti di cellule, destinati all\u2019impianto nel corpo umano, sono progettati per alleviare in modo mirato una specifica degenerazione o malattia. Tuttavia, questi impianti sono statici e inanimati, a differenza dell\u2019ambiente dei tessuti nativi, che \u00e8 dinamico e in cui i tessuti sono sottoposti nel tempo a stimoli biofisici, biochimici e meccanici variabili. Con la bioprinting 4D, la comunit\u00e0 scientifica ha recentemente integrato il \u201ctempo\u201d come quarta dimensione: gli scaffold e gli idrogel hanno la capacit\u00e0 di evolversi nel tempo dopo essere stati stampati, sia biologicamente, sia con l\u2019applicazione di uno stimolo esterno. <\/span><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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In che modo gli stimoli provocano il cambiamento di forma nei biomateriali 4D?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Innanzitutto, il cambiamento di forma dopo la stampa pu\u00f2 essere indotto sottoponendo l\u2019idrogel a stimoli fisici, ad esempio un campo magnetico, una variazione di temperatura (ad esempio con poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAAm) o poli(\u03b5-caprolattone) (PCL)), l\u2019irradiazione luminosa o l\u2019umidit\u00e0 (ad esempio con polietilenglicole (PEG) a doppio strato). L\u2019articolo del mese<\/a> della scorsa settimana sulla bioprinting 4D ha presentato un esempio concreto di un idrogel a base di alginato, sensibile alla luce e in grado di piegarsi in forme complesse a seconda dell\u2019esposizione alla luce indotta dopo la stampa. La complessit\u00e0 delle forme progettate pu\u00f2 essere davvero impressionante: ad esempio, il team del dottor Lewis ha usato fibrille di cellulosa mescolate con acrilammide per riprodurre il disegno di un fiore di orchidea con un inchiostro composito biocompatibile (figura sotto) [3]. Questi idrogel estrusi in massa possono quindi cambiare forma dopo la stampa. L\u2019effetto desiderato dopo la stampa pu\u00f2 per\u00f2 essere diverso.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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In che modo il bioprinting 4D pu\u00f2 consentire il rilascio controllato dei farmaci?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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La forma pu\u00f2 essere progettata durante il processo di stampa con un approccio multiscala, ad esempio tramite bioprinting a getto d\u2019inchiostro, e il rilascio dei farmaci incapsulati pu\u00f2 essere attivato in un secondo momento. I liposomi \u2013 microsfere lipidiche a doppio strato che imitano sinteticamente le membrane cellulari \u2013 sono stati, ad esempio, stampati contenendo due diverse concentrazioni di sale. Sfruttando questo gradiente di osmolarit\u00e0 indotto, gli autori sono riusciti a modellare macrosfere 3D in grado, in seguito a variazioni di temperatura o di pH, di rilasciare i componenti caricati all\u2019interno di ciascuna microsfera stampata [4]. <\/span><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Cosa sono i microswimmer e come funzionano?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Un altro gruppo dell\u2019ETH di Zurigo ha messo a punto dei nano-idrogeli a base di gelatina metacrilata (GelMA) foto-reticolabile e non citotossica. Sviluppati appositamente per il rilascio mirato di farmaci, questi nano-idrogeli, chiamati anche \u201cmicroswimmer\u201d, sono stati resi magneticamente sensibili decorandone la superficie con nanoparticelle magnetiche [5]. Stampati con una forma a elica per ottimizzare le loro prestazioni di nuoto nei fluidi corporei, questi microswimmer sono vettori di farmaci stabili che possono essere indirizzati con campi magnetici verso i tessuti bersaglio. Una volta in posizione, possono rilasciare il farmaco di cui sono stati caricati e poi degradarsi rapidamente (5-15 min) grazie alla collagenasi (un enzima che digerisce il collagene e la gelatina), lasciando residui di degradazione non citotossici. In questo caso, la quarta dimensione si esprime come la degradazione enzimatica del gel in un breve lasso di tempo. <\/span><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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In che modo i fattori scatenanti biologici influenzano i biomateriali 4D?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Infatti, segnali biologici come la concentrazione di glucosio o alcuni enzimi specifici possono influire sugli idrogel stampati. Uno studio condotto congiuntamente dall\u2019Universit\u00e0 della Carolina del Nord (USA) e dall\u2019Universit\u00e0 di Soochow (Cina) ha riportato nel 2018 l\u2019esistenza di un biomateriale a base di polialcool vinilico (PVA) sensibile alle specie reattive dell\u2019ossigeno (ROS), prodotte biologicamente nei microambienti tumorali. Grazie a questa biodegradazione ingegnerizzata, l\u2019idrogel a base di PVA \u00e8 stato in grado di potenziare la risposta antitumorale in vivo e prevenire la recidiva del tumore, rilasciando localmente il farmaco antitumorale, prima di degradarsi dopo 3 settimane [6]. Seguendo lo stesso principio, biomateriali sensibili al pH come il collagene, la gelatina e la cheratina potrebbero rivelarsi utili in prossimit\u00e0 dei siti di infiammazione, dove i valori del pH scendono. <\/span><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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In che modo le cellule guidano la maturazione 4D degli idrogel?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Le funzionalit\u00e0 degli idrogel rigenerativi possono anche svilupparsi progressivamente con la maturazione dello stesso scaffold, dove le cellule seminate, reagendo all\u2019ambiente circostante, funzioneranno come una microfabbrica per produrre le proprie matrici e i propri profili fenotipici, adattati al tessuto degenerato di destinazione (vedi figura sopra). La natura di questa microproduzione pu\u00f2 essere regolata tramite fattori di crescita, fattori di differenziazione (nel caso di cellule staminali seminate) o, ad esempio, tramite le propriet\u00e0 meccaniche dell\u2019impianto [7]. Tenere conto di questa attivit\u00e0 cellulare quando si sviluppa un biomateriale per uso clinico non \u00e8 in contrasto con la stimolazione post-stampa del biomateriale stesso. Seguendo una tecnica di origami, Kuribayashi-Shigetomi et al. sono riusciti a sfruttare la forza di trazione dei fibroblasti (cellule comuni fusiformi) per generare microstrutture 3D complesse come un cubo, una sfera o un tubo cavo. In questo caso, le cellule sono state seminate su micropiastre di vetro parzialmente ricoperte di fibronectina. La quarta dimensione \u00e8 stata introdotta grazie alla capacit\u00e0 di queste cellule di esercitare una trazione sul loro ambiente nel tempo, sfruttata per progettare scaffold 3D [8]. <\/span><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Applicazioni pratiche: stent e medicazioni intelligenti<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Negli ultimi anni, i biomateriali stampati in 4D sono stati studiati per sviluppare degli stent \u2013 strutture cave inserite, ad esempio, in un\u2019arteria o in una vena, per rafforzarne la struttura. Il medico pu\u00f2 inserire facilmente lo stent arrotolato all\u2019interno del tessuto umano e poi, con uno stimolo specifico, espanderlo in modo che sostenga efficacemente il vaso sanguigno. Sono stati realizzati modelli di successo utilizzando un biomateriale a base di PEG metacrilato, alginato o acido ialuronico [9][10]. Per concludere questa breve rassegna con un\u2019ultima applicazione, il team del dottor Akbari in Canada ha sviluppato anche una medicazione intelligente: la medicazione rileva le infezioni batteriche monitorando il valore del pH (con una visualizzazione esterna di colori specifici, indicatori visivi che dipendono dal pH misurato). Una volta rilevata l\u2019infezione, l\u2019idrogel stampato rilascia agenti antibiotici sul sito della ferita per contrastare l\u2019infezione [11]. <\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Qual \u00e8 il futuro del bioprinting 4D nelle scienze della vita?<\/h2>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Con le sue numerose applicazioni, la bioprinting 4D \u00e8 una tecnologia molto promettente per il settore biomedico. Ci sono ancora alcune sfide da affrontare, come riuscire a controllare l\u2019allineamento delle cellule per riprodurre in modo pi\u00f9 fedele i tessuti naturali. Un esempio di allineamento cellulare micro-anisotropico \u00e8 stato riportato nello studio presentato nel nostro <\/span>Articolo del mese<\/a> pubblicato a marzo. Un’altra sfida importante \u00e8 quella di sviluppare bioinchiostri con caratteristiche adeguate al tessuto degenerato di destinazione, in termini di propriet\u00e0 meccaniche, popolazione cellulare e fenotipo, natura e complessit\u00e0 della matrice extracellulare. Nel complesso, utilizzando i diversi processi di bioprinting 3D presentati nel nostro ultimo <\/span>Articolo su Rheolution<\/a> Ad aprile, la bioprinting 4D sta procedendo con ottimismo dagli studi di \u201cproof-of-concept\u201d verso le applicazioni cliniche.<\/span><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\tElastoSens\u2122 Bio\t\t\t\t\t<\/h6>\n\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\tScopri come la nostra tecnologia misura in modo non distruttivo le propriet\u00e0 viscoelastiche dei biomateriali morbidi e dei tessuti utilizzando microvolumi di campioni\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\tScopri di pi\u00f9\t\t\t\t\t<\/a>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\tElastoSens\u2122 Bio\t\t\t\t\t<\/h2>\n\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\tScopri come la nostra tecnologia misura in modo non distruttivo le propriet\u00e0 viscoelastiche dei biomateriali morbidi e dei tessuti utilizzando microvolumi di campioni\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\tScopri di pi\u00f9\t\t\t\t\t<\/a>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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Riferimenti<\/b><\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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[1] Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., Xu, F., (2016). 4D Bioprinting for Biomedical Applications<\/a>. Trends Biotechnology, Special Issue: Biofabrication, 34, 746\u2013756. <\/p>

[2] Yang, Q., Gao, B., Xu, F., (2020). Recent Advances in 4D Bioprinting<\/a>. Biotechnology Journal, 15, 1900086.<\/p>

[3] Sydney Gladman, A., Matsumoto, E.A., Nuzzo, R.G., Mahadevan, L., Lewis, J.A., (2016). Biomimetic 4D printing<\/a>. Nature Materials, 15, 413\u2013418. <\/p>

[4] Villar, G., Graham, A.D., Bayley, H., (2013). A Tissue-Like Printed Material<\/a>. Science, 340, 48\u201352. <\/p>

[5] Wang, X., Qin, X.-H., Hu, C., Terzopoulou, A., Chen, X.-Z., Huang, T.-Y., Maniura-Weber, K., Pan\u00e9, S., Nelson, B.J., (2018). 3D Printed Enzymatically Biodegradable Soft Helical Microswimmers<\/a>. Advanced Functional Materials, 28, 1804107.<\/p>

[6] Wang, C., Wang, J., Zhang, X., Yu, S., Wen, D., Hu, Q., Ye, Y., Bomba, H., Hu, X., Liu, Z., Dotti, G., Gu, Z., (2018). In situ formed reactive oxygen species-responsive scaffold with gemcitabine and checkpoint inhibitor for combination therapy<\/a>. Science Translational Medicine, 10(429), eaan3682. <\/p>

[7] Engler, A.J., Sen, S., Sweeney, H.L., Discher, D.E., (2006). Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification<\/a>. Cell, 126, 677\u2013689. <\/p>

[8] Kuribayashi-Shigetomi, K., Onoe, H., Takeuchi, S., (2012). Cell Origami: Self-Folding of Three-Dimensional Cell-Laden Microstructures Driven by Cell Traction Force<\/a>. PLOS ONE, 7, e51085. <\/p>

[9] Ge, Q., Sakhaei, A.H., Lee, H., Dunn, C.K., Fang, N.X., Dunn, M.L., (2016). Multimaterial 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers<\/a>. Scientific Reports, 6, 31110. <\/p>

[10] Kirillova, A., Maxson, R., Stoychev, G., Gomillion, C.T., Ionov, L., (2017). 4D Biofabrication Using Shape-Morphing Hydrogels<\/a>. Advanced Materials, 29(46). <\/p>

[11] Mirani, B., Pagan, E., Currie, B., Siddiqui, M.A., Hosseinzadeh, R., Mostafalu, P., Zhang, Y.S., Ghahary, A., Akbari, M., (2017). An Advanced Multifunctional Hydrogel-Based Dressing for Wound Monitoring and Drug Delivery<\/a>. Advanced Healthcare Materials, 6(19). <\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\tContattaci per saperne di pi\u00f9<\/span>\n\t\t\t\t\t<\/span>\n\t\t\t\t\t<\/a>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\tCos\u2019\u00e8 il Bioprinting FRESH e come funziona?<\/span>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/a>\n\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t
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Hai mai fantasticato sulle vasche di guarigione della fantascienza? Il principio di galleggiamento neutro su cui si basano ha ispirato una soluzione innovativa per la stampa 3D con inchiostri morbidi e simili a liquidi. La tecnica di bioprinting FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels) \u00e8 stata sviluppata per supportare la stampa di questi materiali complessi, ideali per applicazioni di ingegneria tissutale. Il segreto risiede in un bagno di supporto appositamente progettato, in grado di sostenere le strutture morbide consentendo al contempo il movimento dell\u2019ago dell\u2019estrusore. Grazie alla sua versatilit\u00e0, all\u2019elevata vitalit\u00e0 cellulare e al potenziale per la stampa di strutture di grandi dimensioni, FRESH apre nuove possibilit\u00e0, avvicinandoci sempre pi\u00f9 al bioprinting 3D di tessuti specifici per il paziente basati su dati anatomici.<\/p>

Leggi di pi\u00f9 \u00bb<\/a><\/div>\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\n\t\t\t\t
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\n\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\tMetodi per la stampa 3D di scaffold a base di alginato<\/span>\n\t\t\t\t\t\t\t\t<\/a>\n\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t
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\n\t\t\t\n\t\t\t\tMetodi per la stampa 3D di scaffold a base di alginato\t\t\t<\/a>\n\t\t<\/h4>\n\t\t\t\t
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A gennaio 2022 abbiamo studiato gli idrogel di alginato nell\u2019ingegneria tissutale e nel rilascio di farmaci. L\u2019alginato, spesso usato come bio-inchiostro nella biostampa 3D, forma idrogel con propriet\u00e0 regolabili. Abbiamo esaminato gli effetti della variazione della concentrazione di CaCl\u2082 sulla reticolazione dell\u2019alginato, fondamentale per la stampa 3D. A causa della bassa viscosit\u00e0 dell\u2019alginato, i metodi di stampa includono la pre-reticolazione con CaCl\u2082, l\u2019uso di un ago coassiale per la reticolazione immediata o la miscelazione dell\u2019alginato con altri biomateriali per migliorare la stampabilit\u00e0.<\/p>

Leggi di pi\u00f9 \u00bb<\/a><\/div>\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\n\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

La bio-stampa 4D introduce il \u201ctempo\u201d come quarta dimensione, permettendo agli oggetti stampati di cambiare nel corso del tempo. Stimoli fisici come la luce, la temperatura o il magnetismo possono indurre delle trasformazioni. Il processo di biostampa pu\u00f2 anche consentire il rilascio mirato di farmaci attraverso variazioni di temperatura o di pH. I nano-idrogel possono fungere da vettori di farmaci, guidati da campi magnetici, e possono essere rapidamente degradati dagli enzimi. Inoltre, gli idrogel possono reagire ai segnali biologici, aiutando nel trattamento dei tumori rilasciando farmaci per poi biodegradarsi nel tempo. <\/p>\n","protected":false},"author":195401338,"featured_media":70857,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_monsterinsights_skip_tracking":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_wpcom_ai_launchpad_first_post":false,"_jetpack_feature_clip_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":"","jetpack_post_was_ever_published":false},"categories":[308],"tags":[98,91,124,105],"class_list":["post-70856","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-articoli-rheolution","tag-3d-bioprinting","tag-hydrogels","tag-life-sciences","tag-tissue-engineering"],"yoast_head":"\nCos\u2019\u00e8 il 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