Bioprinting: la stampa 3D non sarà più la stessa
mandibola stampata in 3D
I trattamenti convenzionali per la malattia parodontale, sebbene efficaci in alcuni aspetti del restauro dei tessuti dentali, spesso non sono in grado di ricreare con precisione la complessa struttura anatomica originale dei tessuti. In questo contesto, la bioprinting 3D sta emergendo come una rivoluzione nella cura dentale, fornendo un'alta precisione nella rigenerazione dei tessuti

Questa review, condotta dalla Sichuan University, Cina, e pubblicata su Collagen and Leather, esplora in dettaglio l'uso di queste tecniche nella rigenerazione di vari tessuti orali, inclusi il nervo pulpare, i vasi sanguigni, la cartilagine e il tessuto parodontale. 
 

Collagene

La stampa 3D, una tecnologia innovativa ideata da Charles Hull nel 1986, ha rivoluzionato la produzione di oggetti, consentendo la costruzione di struttura layer-by-layer a partire da modelli digitali. Questo processo ha portato vantaggi significativi come la maggiore flessibilità nel design, la riduzione dei costi di produzione e il miglioramento delle funzionalità degli oggetti. Nel campo dell'odontoiatria, il bioprinting 3D è diventato uno strumento fondamentale per la rigenerazione dei tessuti orali, spingendo la chirurgia dentale verso approcci più precisi e digitalizzati.
Il collagene, un elemento chiave della matrice extracellulare, è ampiamente usato nell'ingegneria tissutale per le sue caratteristiche simili alla matrice extracellulare dei tessuti orali: tuttavia, la sua rapida degradazione ne limita l'uso diretto negli scaffold tissutali.
Per superare questo ostacolo, il collagene è spesso abbinato ad altri materiali. Ad esempio, nella creazione di strutture biomimetiche, è stato combinato con vetro bioattivo modificato per aumentare la vitalità delle cellule staminali mesenchimali umane.
I bioinchiostri a base di collagene si distinguono per la loro eccellente capacità di essere stampati tramite vari metodi di stampa 3D. La formulazione del bioinchiostro e la tecnica di stampa ne influenzano la stampabilità.
Gli scaffold di collagene creati con la stampa 3D possono fornire un ambiente ottimale per la crescita cellulare, facilitando l'attrazione o l'incorporazione diretta delle cellule staminali.


 

vita del collagene

 



Metodi di bioprinting

Il bioprinting, un'innovativa tecnica di fabbricazione biomedica, si articola principalmente in tre metodologie: stampa a getto d'inchiostro, stampa per estrusione e bioprinting assistito dalla luce.

  • Bioprinting a getto d'inchiostro: Questo metodo, derivato dalle tecniche tradizionali di stampa a getto d'inchiostro, consiste nel depositare gocce di bioinchiostro strato su strato, permettendo un posizionamento preciso delle cellule in strutture sia bidimensionali che tridimensionali. Questo lo rende adatto per l'ingegneria tissutale.
    Tuttavia, la sua applicabilità è limitata dalla necessità di utilizzare bioinchiostri a bassa viscosità.
     
  • Bioprinting per estrusione: Utilizza pressione, sia pneumatica che meccanica, per spingere il bioinchiostro attraverso un ugello. Questo metodo è compatibile con una vasta gamma di biomateriali, potendo stampare inchiostri con viscosità che variano da 30 a 6 x 107 mPa/s.
    Nonostante la sua versatilità, le cellule stampate con questa tecnica tendono a sopravvivere meno rispetto alla stampa a getto d'inchiostro, a meno che non vengano impiegate pressioni molto basse e ugelli di dimensioni maggiori, il che potrebbe compromettere la risoluzione.
     
  • Bioprinting light-assisted: Originariamente sviluppato per la modellazione cellulare bidimensionale, questo metodo impiega laser per indurire il bioinchiostro. Fornisce una soluzione delicata che minimizza lo stress meccanico sulle cellule, mantenendo una risoluzione elevata.
    Questa categoria include tecniche come la LIFT (Laser-Induced Forward Transfer), la stereolitografia e la DLP (Digital Light Processing), che sono capaci di creare scaffold con alta fedeltà strutturale e buona vitalità cellulare.

 

Applicazioni

Nel campo della bioprinting 3D, le ricerche sul bioprinting della cartilagine utilizzando bioinchiostri a base di collagene hanno portato a scoperte significative.

È stato dimostrato che gli idrogel di collagene ad alta densità, quando riscaldati, migliorano notevolmente la precisione geometrica delle strutture stampate. Questo risulta in una maggiore fedeltà strutturale e resistenza meccanica delle strutture di cartilagine stampate.
Altre ricerche hanno confrontato diversi bioinchiostri per la stampa della cartilagine. È emerso che le combinazioni di alginato-agarosio e alginato-collagene offrono superiori proprietà di compressione e trazione rispetto all'alginato da solo. In particolare, il mix alginato-collagene ha evidenziato una migliore sopravvivenza cellulare e ha efficacemente mantenuto il fenotipo dei condrociti.
La stampa 3D si è rivelata utile anche nella riproduzione delle strutture nanofibrillari della matrice extracellulare della cartilagine. Questi scaffold supportano l'adesione, la proliferazione e la differenziazione cellulare, mostrando un grande potenziale nella rigenerazione osteocondrale. Inoltre, c'è stato un interesse crescente nell'utilizzo della stampa 3D per la riparazione dell'articolazione temporomandibolare.
Gli scaffold realizzati con gelatina hanno dimostrato il potenziale di indurre la differenziazione cartilaginea delle cellule staminali mesenchimali derivate dal midollo osseo umano.
La review ha anche evidenziato l'efficacia dell'uso di due metodi di reticolazione incrociata negli scaffold. Queste strutture mostrano un promettente supporto alla crescita sia delle ossa che della cartilagine, sottolineando il progresso significativo nel campo della rigenerazione tissutale tramite la bioprinting 3D.
 

Estrazione

Esistono vari metodi per estrarre il collagene, ma tra queste l'estrazione enzimatica si distingue per la sua efficienza e sostenibilità ambientale. Questo processo sfrutta gli enzimi per rompere i legami covalenti del collagene in ambienti acidi, preservando così le sue proprietà fisiche e biochimiche. Gli enzimi comunemente impiegati includono la pepsina, la proteasi pancreatica, la papaina e la ficina.

I parametri critici che influenzano l'efficienza dell'estrazione enzimatica del collagene sono la temperatura, il pH, la durata del processo e la concentrazione degli enzimi utilizzati.
L'obiettivo è ottimizzare queste variabili per massimizzare l'estrazione del collagene mantenendo intatte le sue caratteristiche strutturali.

Per migliorare ulteriormente l'efficienza e la velocità del processo di estrazione, sono stati sviluppati metodi di estrazione più avanzati. Questi metodi mirano a un'estrazione rapida ed efficiente del collagene, garantendo al contempo che la struttura e l'integrità del collagene estratto non siano compromesse. Questo approccio avanzato nell'estrazione del collagene è fondamentale per garantire l'alta qualità dei biomateriali utilizzati nelle applicazioni di bioprinting 3D, come la rigenerazione tissutale e la creazione di scaffold biomedici.


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Fonte: WILEY

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