Fibra

Muscolo cardiaco stampato in 3D che batte attraverso inchiostro infuso con fibre

Nell’ultimo decennio, i progressi nella stampa 3D hanno aperto nuove possibilità ai bioingegneri di costruire tessuti e strutture cardiache. I loro obiettivi includono la creazione di migliori piattaforme in vitro per la scoperta di nuove terapie per le malattie cardiache, la principale causa di morte negli Stati Uniti, responsabile di circa un decesso su cinque a livello nazionale, e l’utilizzo di tessuti cardiaci stampati in 3D per valutare quali trattamenti potrebbero funzionare meglio. nei singoli pazienti. Un obiettivo più distante è quello di fabbricare tessuti impiantabili che possano guarire o sostituire strutture difettose o malate all'interno del cuore di un paziente.

In un articolo pubblicato su Nature Materials, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) riportano lo sviluppo di un nuovo inchiostro idrogel infuso con fibre di gelatina che consente la stampa 3D di un ventricolo cardiaco funzionale che imita il battito come un cuore umano. Hanno scoperto che l’inchiostro gel con fibre infuse (FIG) consente alle cellule del muscolo cardiaco stampate a forma di ventricolo di allinearsi e battere in coordinazione come una camera cardiaca umana.

"Le persone hanno cercato di replicare le strutture e le funzioni degli organi per testare la sicurezza e l'efficacia dei farmaci come un modo per prevedere cosa potrebbe accadere in ambito clinico", afferma Suji Choi, ricercatore associato presso la SEAS e primo autore dell'articolo. Ma fino ad ora, le sole tecniche di stampa 3D non sono state in grado di ottenere un allineamento fisiologicamente rilevante dei cardiomiociti, le cellule responsabili della trasmissione dei segnali elettrici in modo coordinato per contrarre il muscolo cardiaco.

Abbiamo avviato questo progetto per affrontare alcune delle inadeguatezze nella stampa 3D dei tessuti biologici.

L'innovazione sta nell'aggiunta di fibre all'interno di un inchiostro stampabile. “L’inchiostro FIG è in grado di fluire attraverso l’ugello di stampa ma, una volta stampata la struttura, mantiene la sua forma 3D”, afferma Choi. "Grazie a queste proprietà, ho scoperto che è possibile stampare una struttura simile a un ventricolo e altre forme 3D complesse senza utilizzare materiali di supporto o impalcature aggiuntivi."

Per creare l'inchiostro FIG, Choi ha sfruttato una tecnica di filatura a getto rotante sviluppata dal laboratorio Parker che fabbrica materiali in microfibra utilizzando un approccio simile al modo in cui viene filato lo zucchero filato. Il ricercatore post-dottorato Luke MacQueen, coautore dell’articolo, ha proposto l’idea che le fibre create dalla tecnica di filatura a getto rotante potrebbero essere aggiunte a un inchiostro e stampate in 3D.

“Quando Luke ha sviluppato questo concetto, l’idea era quella di ampliare la gamma di scale spaziali che potevano essere stampate con stampanti 3D eliminando il fondo dai limiti inferiori, portandolo alla scala nanometrica”, afferma Parker. “Il vantaggio di produrre le fibre con la filatura a getto rotante anziché con l’elettrofilatura” – un metodo più convenzionale per generare fibre ultrasottili – “è che possiamo utilizzare proteine ​​che altrimenti verrebbero degradate dai campi elettrici nell’elettrofilatura”.

Usando il getto rotante per filare le fibre di gelatina, Choi ha prodotto un foglio di materiale dall'aspetto simile al cotone. Successivamente, ha usato la sonificazione – onde sonore – per rompere quel foglio in fibre lunghe circa 80-100 micrometri e circa 5-10 micrometri di diametro. Quindi, ha disperso quelle fibre in un inchiostro idrogel.

Questo concetto è ampiamente applicabile: possiamo utilizzare la nostra tecnica di filatura delle fibre per produrre in modo affidabile fibre nelle lunghezze e nelle forme che desideriamo.

L’aspetto più difficile è stato risolvere il rapporto desiderato tra fibre e idrogel nell’inchiostro per mantenere l’allineamento delle fibre e l’integrità complessiva della struttura stampata in 3D.

Mentre Choi stampava strutture 2D e 3D utilizzando l’inchiostro FIG, i cardiomiociti si allineavano in tandem con la direzione delle fibre all’interno dell’inchiostro. Controllando la direzione di stampa, Choi potrebbe quindi controllare come si allineerebbero le cellule del muscolo cardiaco.

Quando ha applicato la stimolazione elettrica a strutture stampate in 3D realizzate con inchiostro FIG, ha scoperto che innescava un’onda coordinata di contrazioni in allineamento con la direzione di quelle fibre. In una struttura a forma di ventricolo, "è stato molto emozionante vedere la camera effettivamente pompare in modo simile a come pompano i ventricoli cardiaci reali", afferma Choi.