COBICS è un innovativo metodo di stampa 3D che rende possibile la generazione di un costrutto ingegnerizzato in grado di simulare il tessuto osseo, con un controllo a livello micro- e macro-strutturale. Tale modello, sviluppato dai ricercatori della University of New South Wales di Sidney, potrebbe in futuro rendere possibile la stampa di tessuto osseo direttamente nel corpo umano.
La struttura ossea e il tessuto osseo artificiale
L’osso è un tessuto organico-inorganico dove le cellule sono circondate da una matrice altamente mineralizzata. La parte inorganica, circa il 65%, è costituita in gran parte da idrossiapatite impura, che contiene ad esempio carbonati e citrati. Essa si presenta sotto forma di piccoli cristalli a forma di aghi, piastre e asticelle situate tra le fibre di collagene, che si posizionano secondo due tipi di struttura principale: quella trabecolare e quella lamellare. La matrice organica è costituita per la maggior parte, circa il 90%, da collagene, che determina la robustezza e l’elasticità del tessuto.
Nel tessuto osseo sono presenti diversi tipi di cellule, tra cui gli osteoblasti, gli osteociti e gli osteoclasti. Ci sono stati diversi passi avanti nella bio-fabbricazione dei tessuti complessi, grazie a tecnologie come TESA (Tissue Engineering by Self-Assembly) o TIPS (Thermally Induced Phase Separation). Tuttavia la replicazione dell’eterogeneità caratteristica del microambiente osseo è ancora oggi una grande sfida, a causa della complessità strutturale da riprodurre. Ad oggi, nell’ambito dell’ingegneria tissutale e della medicina rigenerativa per le strutture ossee, si utilizzano materiali come le bioceramiche (e.g., ossido di alluminio, vetri bioattivi e idrossiapatite e β-fosfato tricalcico), gli idrogeli carichi di cellule (e.g., gelatina e alginato) e le termoplastiche sintetiche (e.g., acido poliglicolico e acido polilattico).
COBICS è uno scaffold (i.e, un’impalcatura di materiale biocompatibile) in grado di imitare il tessuto osseo tramite stampa 3D di un nuovo “bioinchiostro” ingegnerizzato. Lo studio, pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Functional Materials, dimostra che questo bioinchiostro promuove la formazione di costrutti mineralizzati che possono essere stampati in 3D (e quindi estrusi) caricando al loro interno un’alta densità di cellule staminali, dirigendo infine l’organizzazione cellulare e promuovendo l’osteogenesi in vitro.
“È davvero il primo esempio di integrazione di materiali che emulano molti aspetti dell’osso nativo con cellule vive. Si apre l’opportunità per cui potremo essere in grado di stampare direttamente l’osso di un paziente all’interno di una cavità. Ciò che intendo con questo è che potrà essere possibile farlo durante l’intervento chirurgico. Se si ha un osso asportato per malattia o per un tumore rimosso, possiamo effettivamente scansionare quell’osso e mettere il file di scansione nella stampante 3D, e ricostruire quindi l’osso.”
Dr. Kris Killian
Come funziona COBICS?
La tecnologia che rende possibile la generazione di scaffold che imitano il tessuto osse prende il nome di Ceramic Omnidirectional Bioprinting in Cell-Suspensions (COBICS). La tecnica prevede l’utilizzo di un bagno di supporto in microsfere di gelatina stabili chimicamente, che supportano la stampa omnidirezionale del bioinchiostro. L’inchiostro è specifico per la trasformazione minerale ossea in presenza di cellule vive.
COBICS permette infatti di stampare costrutti architettonici complessi e biologicamente rilevanti (i cosiddetti “scaffold”), senza la necessità di materiali di supporto sacrificali, direttamente in loco e senza complicati passaggi di post-elaborazione, che sono le maggiori sfide nelle tecniche di produzione additiva per i tessuti mimetici ossei. L’inchiostro viene stampato all’interno del bagnetto di microsfere gelatinose ad una temperatura di 37 °C, per cui il materiale stampato rimane bloccato nella sua posizione (Figura 1).
Il materiale stampato è denominato “inchiostro a fosfato di calcio” (CaP-ink). Si tratta di una formulazione a base di fosfato di calcio, che solidifica rapidamente in ambienti acquosi, mantenendo l’integrità dei filamenti estrusi. Inoltre COBICS consente l’incorporazione volumetrica e omogenea di molecole bioattive ad alte concentrazioni all’interno dello scaffold stampato, per garantire sia una miglior proliferazione che una efficiente adesione cellulare.
Come agisce l’inchiostro osseo?
Nel bioinchiostro CaP-ink, le particelle di α-fosfato tricalcico (α-TCP) sono disperse in modo omogeneo nel glicerolo, che ha una duplice funzione: facilitare l’estrusione dell’inchiostro dagli ugelli ed essere sostituito dall’acqua del bagno di supporto, causando così l’idrolisi delle particelle di α-TCP. Durante l’idrolisi, il fosfato di ammonio aumenta il pH e la concentrazione di PO₄³⁻ nel microambiente, favorendo la nucleazione e la crescita dei nanocristalli di idrossiapatite (HA). La variazione del pH della soluzione acquosa si verifica solamente durante il tempo di presa iniziale a causa dell’esposizione all’inchiostro, dopodiché il pH rimane stabile.
Grazie all’utilizzo di tensioattivi, sostanze che hanno la capacità di abbassare la tensione superficiale di un liquido, si evita la formazione di grandi crepe, così da variare il tasso di crescita dei nanocristalli di HA e garantire una cristallizzazione uniforme. La formulazione del CaP-Ink facilita la rapida solidificazione in situ, convertendo l’inchiostro inorganico in nanocristalli di idrossiapatite ossea interbloccati meccanicamente dalle microsfere nel bagno di supporto.
All’atto pratico?
Con questa tecnica è stato quindi possibile stampare piccole imitazioni del labirinto osseo umano, della struttura trabecolare e dei canali di Havers dell’osso (Figura 2). A tale scopo sono stati utilizzati dei modelli CAD 3D per stampare delle strutture simili tra loro.
Figura 2. Risultati della ricerca COBICS. Da sinistra in alto: Labirinto osseo umano e analisi della vitalità delle cellule staminali mesenchimali incapsulate nel bioinchiostro. In basso, da sinistra: canale elicoidale di Havers, resistenza a compressione del filamento di CaP-ink rispetto a strutture ossee native e modello COBICS di struttura trabecolare. Il CaP-ink ha una resistenza a compressione che varia molto a seconda della porosità del costrutto. Ciò rende possibile l’imitazione di diversi tipi di struttura ossea. Confrontando il CaP-ink con gli scaffold sinterizzati nel grafico compressione (MPa)-porosità (%), si osserva quanto esso sia adattabile rispetto ad altre tecniche. Inoltre, nel grafico di vitalità cellulare, si osserva come tra il CaP-ink e l’inchiostro ceramico a base di TCP non ci siano delle differenze nella vitalità delle cellule coltivate sui due diversi composti ceramici.
Credits: Advanced Functional Materials
Conclusioni
Con COBICS è stata resa possibile la stampa 3D di una ceramica biomimetica ossea, nanostrutturata al suo interno e carica di cellule in forma libera, con controllo sulla macro e microarchitettura. Ciò ha reso possibile un mimetismo osseo complesso, confermando l’eventualità di poter ricostruire la struttura ossea in tempo reale e in contesti clinici. Inoltre COBICS presenta le stesse caratteristiche di biocompatibilità riscontrabili in scaffold ingegnerizzati con altre tecniche di bio-fabbricazione (e.g., stampe 3D con inchiostri a base di TCP), risultando però più adattabile: variando infatti la microstruttura 3D, si possono diversificare e adattare le proprietà meccaniche del costrutto. In definitiva, questo approccio potrebbe in futuro consentire la fabbricazione in situ dello scaffold, con la possibilità innestare l’inchiostro direttamente sull’osso nativo del paziente e accelerando così i tempi degli interventi chirurgici.
Bibliografia
- Advanced Functional Materials – Synthetic Bone‐Like Structures Through Omnidirectional Ceramic Bioprinting in Cell Suspensions
- IEEE Spectrum – 3D Printing Bone Directly Into the Body
- Materials Today – Tissue Engineering by self-assembly
- Journal of Biomedical Materials Research – Porous biodegradable polymeric scaffolds prepared by thermally induced phase separation
