Biografia stampata in 3D/4D

19 luglio 2023

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dall'International Journal of Extreme Manufacturing

La piezoelettricità è stata ben riconosciuta come il fattore chiave nella rigenerazione ossea. Tuttavia, gli attuali scaffold realizzati con produzione additiva si concentrano principalmente sulla ricostruzione della struttura topologica bionica e del microambiente meccanico, mentre il microambiente elettrico (EM) cruciale nella rigenerazione ossea viene trascurato.

La ricerca, pubblicata sull’International Journal of Extreme Manufacturing, mostra l’enorme potenziale della stampa 3D/4D di scaffold biopiezoelettrici per l’ingegneria del tessuto osseo di prossima generazione.

Esiste un divario significativo tra le capacità delle attuali tecniche di stampa 3D/4D e i requisiti di applicazione clinica degli scaffold biopiezoelettrici. Il suo sviluppo richiede uno sforzo congiunto di studi multidisciplinari tra cui scienza dei materiali, ingegneria meccanica e bioingegneria. La sua adozione diffusa dovrebbe anche trarre ispirazione da alcune tecnologie all’avanguardia come la produzione intelligente, la medicina bionica e l’apprendimento automatico.

"In linea di principio, questo apre la strada alla progettazione e alla fabbricazione di un'impalcatura piezoelettrica biologica intelligente che promuove la riparazione ossea imitando il microambiente elettrico cruciale del tessuto", ha affermato Annan Chen, ricercatore post-dottorato presso la City University di Hong Kong e primo autore dello studio. .

"In sostanza, offre nuove indicazioni verso un potenziale passo avanti nella costruzione di scaffold intelligenti per l'ingegneria del tessuto osseo di prossima generazione", hanno affermato il Prof. Chunze Yan, professore presso l'Università di Tecnologia Scientifica di Huazhong, e il Prof. Jian Lu, professore alla cattedra presso l'Università della città di Hong Kong.

Questa piezoelettricità è stata dimostrata nelle ossa umane, che generano cariche positive e negative quando sottoposte a compressione o tensione. Ad esempio, la tibia umana può generare un potenziale piezoelettrico di ~300 μV durante la deambulazione. Pertanto, i materiali piezoelettrici mostrano vantaggi unici nella simulazione dell’EM dei tessuti ossei, che possono promuovere in modo significativo il metabolismo delle cellule e la formazione di nuovo osso.

Le cariche superficiali dei materiali piezoelettrici possono attrarre ioni per promuovere l'adesione cellulare attraverso l'interazione ionica o di carica, nonché attivare l'espressione del fattore di crescita per migliorare la proliferazione cellulare e la differenziazione osteogenica.

Gli scaffold biopiezoelettrici prodotti in modo additivo possono ricostruire il tessuto EM desiderato attraverso una stimolazione ultrasonica non invasiva. Questo comportamento di spostamento della funzionalità dipendente dal tempo delle strutture 3D quando esposte a stimoli esterni, è anche definito come stampa quadridimensionale (4D). Questi nuovi scaffold biopiezoelettrici che cambiano funzionalità 4D possono fornire un microambiente elettrofisiologico programmabile dipendente dal tempo in risposta a stimoli esterni per la rigenerazione dei tessuti.

Chen ha iniziato a sperimentare alcuni materiali piezoelettrici biologici senza piombo scoperti anni fa, ma in gran parte ignorati. Si è concentrato sulla stampa 3D/4D integrata materiale-topografia-biofunzionalità di materiali bio-piezoelettrici per applicazioni biologiche avanzate.

Con grande stupore degli scienziati, i materiali biopiezoelettrici hanno mostrato un'eccellente lavorabilità e biocompatibilità. Inoltre, erano inducibili multicellulari. "Abbiamo scoperto che il loro microambiente elettrico può indurre la differenziazione delle cellule ossee, promuovere il reclutamento delle cellule vascolari e la riparazione delle cellule nervose", ha affermato Chen. Ciò mostra un grande potenziale per le applicazioni cliniche.