Bioprinting incorporato di strutture simili a tessuti utilizzando il terreno sub-microgel di κ-carragenina

Gli scaffold di ingegneria tissutale, tra cui fibre elettrofilate, spugne porose e idrogel polimerici, svolgono un ruolo fondamentale nella riparazione e ricostruzione di tessuti e organi danneggiati, fornendo una struttura strutturale che supporta la crescita cellulare, la rigenerazione dei tessuti e il ripristino della funzione degli organi ^1,2,3. Tuttavia, gli scaffold tradizionali incontrano sfide nel replicare accuratamente le strutture tissutali native, portando a una discrepanza tra i tessuti ingegnerizzati e quelli naturali. Questa limitazione ostacola l’efficiente guarigione dei tessuti difettosi, sottolineando l’urgente necessità di progressi nella progettazione di scaffold per ottenere una biomimetica più accurata. Il bioprinting tridimensionale (3D) è una tecnica di produzione innovativa che costruisce con precisione strutture di tessuti biologici complessi strato per strato utilizzando inchiostri e cellule di biomateriali⁴. Tra i vari biomateriali, gli idrogel polimerici emergono come bioink ideali con la loro rete distintiva che facilita l’incapsulamento in situ delle cellule e ne supporta in modo cruciale^{la crescita 5,6}. Tuttavia, molti idrogel morbidi e altamente idratati tendono a indurre sfocatura o rapido collasso delle strutture di scaffold stampate durante il processo di stampa quando vengono utilizzati come bioink. Per affrontare questa sfida, la tecnologia di bioprinting 3D incorporata impiega un bagno di microgel come materiale di supporto, consentendo una precisa deposizione di bioink morbido. Dopo la gelificazione dei bioink idrogel, rimuovendo il bagno di microgel si ottengono raffinati scaffold bionici con strutture intricate. Materiali come la gelatina ^7,8, l’agarosio⁹ e la gomma di gellano^10,11 sono stati impiegati per creare bagni di microgel per la biostampa 3D incorporata, facendo progredire in modo significativo l’applicazione di idrogel morbidi nell’ingegneria tissutale. Tuttavia, la dimensione delle particelle a livello di micron e non uniforme di questi gel di particolato influisce negativamente sulla risoluzione e sulla fedeltà della stampa 3D 12,13,14. C’è un urgente bisogno di fabbricare un galleggiante di sospensione simile al gel con particelle piccole e uniformemente disperse, che offra vantaggi nel raggiungimento di un bioprinting ad alta fedeltà.

In questo protocollo, viene presentato un nuovo bagno di sospensione sacrificale granulato κ-carragenina con un livello uniforme inferiore al micron per la stampa 3D incorporata. Questo innovativo comportamento del bagno sub-microgel di rapida transizione inceppamento-sblocco facilita la fabbricazione precisa di scaffold biomimetici in idrogel con un’elevata fedeltà strutturale¹⁵. Utilizzando questo nuovo mezzo di sospensione, una serie di costrutti di tessuti e organi biomimetici caratterizzati da strutture tissutali multistrato vengono stampati con successo, impiegando un bioink composito composto da metacrilato di gelatina e metacrilato di fibro di seta. In questo studio, abbiamo scelto l’esofago come oggetto biomimetico per il bioprinting 3D principalmente perché l’esofago non solo ha una struttura tissutale multistrato, ma anche il suo strato muscolare mostra una struttura di stratificazione complessa circolare interna ed esterna longitudinale. Garantire il corretto allineamento e organizzazione di questi strati è essenziale per la rigenerazione funzionale dei tessuti. Pertanto, desideriamo fortemente replicare l’architettura multistrato dell’esofago. Ancora più importante, abbiamo utilizzato sub-microgel di κ-carragenina come bagno di sospensione e GelMA/SFMA come bioink per progettare e costruire un’impalcatura biomimetica per l’ingegneria tissutale. L’esofago stampato può essere facilmente rilasciato mediante ripetuti lavaggi salini tamponati con fosfato. Inoltre, il bagno sub-microgel di κ-carragenina è privo di sostanze citotossiche, garantendo un’elevata citocompatibilità¹⁵. Le cellule muscolari lisce caricate all’interno di scaffold anisotropi mostrano una notevole attività di diffusione. Questo mezzo di sospensione sub-microgel uniforme offre una nuova strada per la fabbricazione di tessuti e organi complessi attraverso la biostampa 3D incorporata.