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Tecnologie di supporto

Mattoncini stampati in 3D ispirati ai Lego: nuovo metodo per la riparazione efficace delle fratture ossee

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Scritto da Alessia Paradiso

Arrivano dagli Stati Uniti e si presentano come rivoluzionari: sono piccoli mattoncini stampati in 3D, progettati per guarire fratture ossee. Ispirati dai leggendari e senza tempo blocchetti Lego, i piccoli mattoni cavi proposti fungono da impalcature componibili, su cui sia il tessuto duro che quello molle possono ricrescere meglio rispetto all’uso dei metodi di rigenerazione standard odierni.

Le migliaia di potenziali configurazioni geometriche e la possibilità di collocare fattori biologici tra le micro-cavità di ogni singolo blocchetto consentiranno di realizzare e controllare lo sviluppo di un modello terapeutico basato su biomateriali. La miniaturizzazione, l’assemblaggio e la scalabilità di questi mattoncini, così come il caricamento controllabile di sostanze utili alla guarigione, rendono tale applicazione pionieristica una piattaforma flessibile estendibile ad una vasta gamma di materiali, per migliorare le prestazioni biologiche nell’ambito della rigenerazione tissutale.

Il mattoncino base per la riparazione ossea

La ricerca è stata recentemente pubblicata su Advanced Materials, una delle riviste scientifiche più autorevoli del settore. Architetture componibili e miniaturizzate (fino a 29000 configurazioni diverse), adattabili al difetto tissutale in termini di dimensione, forma e carico biologico (e.g., cellule, fattori di crescita, idrogel), che portano ad un miglioramento del controllo spazio-temporale relativo alla crescita interna del tessuto ospite nel materiale innestato (Figura 1). Una strategia promettente, dove fino ad ora nessuno era riuscito ad arrivare.

Figura 1. Il mattoncino componibile stampato in 3D, ispirato al popolare gioco Lego. Credits: Oregon Health & Science University

La modularità alla base di ogni singolo dispositivo miniaturizzato (il cosiddetto “scaffold”) è data da:

  • un modulo base rigido, cavo e impilabile. È simile ad una gabbia, stampato in stereolitografia 3D con una sospensione ceramica a base di beta-fosfato tricalcico (TCP 300) e solidificata con irradiazione dinamica di una maschera, processo per cui si ottiene un oggetto solido da una resina liquida (foto-polimerizzazione). Una resina a base metacrilica (PR48) è stata impiegata invece per dimostrare l’abilità del sistema nel ricostituire strutture anatomiche biologicamente rilevanti, come ad esempio l’incremento osseo della cresta mandibolare verticale e la fusione spinale vertebrale;
  • un micro-gel o un riempitivo di gelatina metacrilata (GelMA), rispettivamente stampato e reticolato in 3D per essere incastonato o colato per impregnare le cavità base del modulo ceramico (Figura 2). Alternativamente iniettato tramite siringa o spatula.
Figura 2. A–D) Distribuzione dell’idrogel a base di gelatina metacrilata in forma di micro-gel (A, B) e di riempitivo (C, D) in singole cavità di moduli assemblati in unità complesse (4 x 4 moduli base). E–H) Immagini delle micro-gabbie a fronte del caricamento con micro-gel e idrogel non poroso.

Delle particelle fluorescenti sono state poi incapsulate nel micro-gel per una più facile visualizzazione del controllo spaziale.

Qualche numero dalle miniature 3D? La cavità di un modulo rigido misura 1.55 mm in lunghezza, larghezza ed altezza (3.375 mm3) e lo spessore delle pareti risulta essere 560 µm. Le dimensioni di una pulce.

Gli studi cellulari e la chemiotassi del carico biologico

Successivamente, dopo aver assemblato i moduli base nella configurazione prescelta, il carico biologico è stato mischiato con cellule e fattori di crescita. È stato poi reticolato e inserito nel modulo rigido con diverse composizioni, gradienti e arrangiamenti controllabili, per testarne la massima efficacia. Più nel dettaglio, sono stati testati i fattori di crescita di derivazione piastrinica (PDGF) e dell’endotelio vascolare (VEGF), e la proteina morfogenetica dell’osso (BMP-2).

Cellule endoteliali di vena ombelicale umana (HUVECs), mesenchimali staminali isolate da midollo osseo umano (hMSCs), da polpa dentale (hDPSCs) e da papilla apicale (SCAPs) sono state utilizzate per gli studi così organizzati:

  • hMSCs-HUVECs; per esperimenti di chemiotassi spazialmente definiti (in rapporto 1:1 e con 2 x 106 cellule/ml di bioinchiostro);
  • hDPSCs, SCAPs; per esperimenti sulla bioattività e sulla migrazione cellulare di micro-gel liofilizzati e precaricati con fattori di crescita.

La possibilità di caricare varie micro-cavità con differenti composizioni di carichi biologici ha consentito di riprodurre con facilità dei costrutti di varie complessità, dopo aver assemblato singolarmente ogni unità base in 3D. A tal proposito, per investigare la migrazione sito-specifica delle cellule verso i fattori di crescita posizionati in diverse aree delle singole gabbie 3D, un mono-strato di cellule seminate in una piastra permeabile è stato posizionato direttamente sopra un mattoncino composto da 3 moduli base ripetuti (Figura 3).

Figura 3. Chemiotassi dei moduli 3D. A, B) I micro-gel caricati con fattori di crescita a diversi gradienti e concentrazioni in singoli moduli rigidi assemblati (3 x 1) guidano la migrazione cellulare sito-specifica, come confermato dalle immagini di immunofluorescenza (in alto: vista 2D, in basso: vista 3D). C) Migrazione cellulare guidata dai fattori di crescita VEGF (L) e PDGF (R) e in assenza di carico biologico (M), paragonati alla migrazione cellulare in caso di riempitivo (colonne in grigio). Scala di misura: 1.5 mm.

Queste gabbiette 3D miniaturizzate migliorano la guarigione stimolando il giusto tipo di cellule a crescere nel posto giusto e al momento giusto. Diversi fattori di crescita possono essere inseriti all’interno di ciascun blocco, consentendo di riparare i tessuti in modo più preciso e rapido.

Ramesh Subbiah, co-autore dello studio

L’assemblaggio finale in una struttura componibile

Impilate insieme, le micro-gabbie sono progettate per riparare le ossa rotte meglio dei metodi attuali.

Per le fratture più complesse, infatti, i metodi tradizionali prevedono l’impianto di barre o piastre metalliche per stabilizzare l’osso (e.g., fissatori interni), inserendo quindi nel corpo umano materiali biocompatibili per ponteggi ancorati con paste e cementi ossei, che favoriscono la guarigione e la rigenerazione del tessuto.

Il principale vantaggio di questo nuovo sistema di ponteggi simil-LEGO è che i blocchi cavi stampati in 3D possono essere riempiti con piccole quantità di gel contenente fattori di crescita differenti, precisamente posizionati vicino alla zona danneggiata a favorire la rigenerazione del tessuto.

Infine, gli studi in vivo hanno rilevato che i blocchi con carico biologico collocati in ossa di ratto, hanno portato a una crescita di vasi sanguigni nel tessuto circostante circa tre volte superiore rispetto alle impalcature cellulari convenzionali (gli “scaffold”).

Prospettive e applicazioni future

Questa innovativa tecnologia di stampa 3D potrebbe essere utilizzata in caso di tumori ossei, per procedure di fusione spinale e per ricostruire ossa mascellari indebolite prima di un impianto dentale. Modificando la composizione dei materiali stampati in 3D, la tecnica potrebbe anche essere utilizzata in caso di tessuti molli. Con un’investigazione scientifica più approfondita, l’approccio dei mattoncini componibili potrà essere utilizzato anche per organi da trapianto.


Fonti e approfondimenti:
  • Advanced Materials – 3D Printing of Microgel-Loaded Modular Microcages as Instructive Scaffolds for Tissue Engineering
  • Oregon Health & Scientific University – Lego-inspired bone and soft tissue repair with tiny, 3D-printed bricks
  • RT news – Lego for bones? Scientists develop method for repairing fractures using 3D-printed bricks inspired by popular toy
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Informazioni autore

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Alessia Paradiso

Ricercatrice in fuga.
Conseguita la laurea magistrale in Ingegneria Biomedica al Politecnico di Torino, prosegue con un Dottorato in Biomateriali fuori patria. Appassionata di informazione, mantiene un sguardo completo sul mondo biomedico con tanta curiosità.

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