Stampa 3D di compositi a base di nanocristalli di cellulosa per costruire robuste impalcature biomimetiche per l'ingegneria del tessuto osseo

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 21244 (2022) Citare questo articolo

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I nanocristalli di cellulosa (CNC) stanno attirando sempre più attenzione nei campi della biomedicina e della sanità grazie alla loro durabilità, biocompatibilità, biodegradabilità ed eccellenti proprietà meccaniche. Qui, abbiamo fabbricato utilizzando la tecnologia di modellazione a deposizione fusa scaffold compositi 3D da acido polilattico (PLA) e CNC estratti da Ficus thonningii. La microscopia elettronica a scansione ha rivelato che gli scaffold stampati presentano pori interconnessi con una dimensione media dei pori stimata di circa 400 µm. Incorporando il 3% (p/p) di CNC nel composito, sono state migliorate le proprietà meccaniche del PLA (modulo di Young aumentato di ~ 30%) e la bagnabilità (l'angolo di contatto con l'acqua è diminuito di ~ 17%). È stato convalidato il processo di mineralizzazione delle impalcature stampate utilizzando fluido corporeo simulato e confermata la nucleazione dell'idrossiapatite. Inoltre, i test di citocompatibilità hanno rivelato che gli scaffold PLA e PLA basati su CNC non sono tossici e compatibili con le cellule ossee. Il nostro design, basato sulla stampa 3D rapida di compositi PLA/CNC, combina la capacità di controllare l’architettura e fornire proprietà meccaniche e biologiche migliorate degli scaffold, aprendo prospettive per applicazioni nell’ingegneria del tessuto osseo e nella medicina rigenerativa.

Lo sviluppo di materiali per l’ingegneria ossea rimane una sfida a causa della complessità della struttura ossea naturale e dell’ambiente biomeccanico. Per riparare il tessuto osseo danneggiato, vengono raccolti autotrapianti di ossa diverse e utilizzati per sostituire le ossa mancanti. Gli allotrapianti meno disponibili sono scoraggianti1,2,3 e le giunzioni artificiali utilizzate come impianti spesso devono essere rimosse dopo la guarigione4. Recentemente sono emerse nuove strategie di riparazione ossea, inclusa la medicina rigenerativa assistita da impalcature utilizzata per promuovere la crescita ossea5.

Uno scaffold osseo ideale dovrebbe essere una matrice tridimensionale in grado di imitare la complessa composizione e struttura dell'osso per l'attaccamento e la proliferazione cellulare6. Pertanto, richiede elevata biocompatibilità, biodegradabilità, non tossicità, eccellenti proprietà meccaniche e un'architettura adeguata in termini di porosità e dimensioni dei pori per integrarsi con il tessuto ospite nativo7. La composizione chimica e le caratteristiche fisico-chimiche dello scaffold, che influenzano direttamente le prestazioni meccaniche e biologiche8, sono quindi parametri importanti da studiare.

I biopolimeri sintetici sono stati ampiamente utilizzati nell’ingegneria dei tessuti ossei grazie alla loro biocompatibilità e alla loro capacità di controllare le proprietà fisico-chimiche dello scaffold. Sono costituiti da poliesteri alifatici come l'acido poliglicolico (PGA), il policaprolattone (PCL) e l'acido polilattico (PLA)9. Sfortunatamente, sono piuttosto fragili e solitamente perdono la loro resistenza a causa della rapida degradazione in vivo. Inoltre, la loro natura idrofobica ostacola l’adesione e la proliferazione delle cellule ossee10. Per superare queste limitazioni, gli scaffold basati su polimeri sintetici, vale a dire PLA o PCL, possono essere migliorati incorporando rinforzi polimerici naturali come cellulosa11,12,13,14,15, alginato16, gelatina17, chitosano18,19 o cheratina20 noti per le loro caratteristiche interessanti.

Diverse tecniche, tra cui la colata di solventi e la lisciviazione di particelle, la liofilizzazione dell'emulsione, la separazione di fase o l'elettrofilatura21,22,23, vengono utilizzate per sviluppare scaffold per l'ingegneria dei tessuti duri. Tuttavia non consentono un controllo efficace della morfologia e della porosità.

La produzione additiva ha dimostrato di essere una tecnica di scelta per la progettazione e la preparazione di materiali biomimetici per la riparazione ossea. Le architetture di scaffold controllate in 3D influiscono in modo significativo sulle proprietà meccaniche nonché sull'adesione e sulla proliferazione delle cellule ossee2,24,25,26,27,28. Pertanto, vari lavori si sono concentrati sullo sviluppo di scaffold stampati in 3D utilizzando varie tecnologie, come stereolitogafia, plotting 3D, sinterizzazione laser selettiva, biostampa e modellazione a deposizione fusa (FDM). La FDM è la tecnologia di produzione additiva più utilizzata. È una tecnica semplice e veloce a basso costo che offre grandi possibilità per la manipolazione dei polimeri.