Usufruire della bioprinting durante un intervento chirurgico permette di riparare le lesioni traumatiche di pelle e ossa, normalmente difficili da curare a causa dei molti strati di diversi tipi di tessuti coinvolti. A sostenerlo è Ibrahim T. Ozbolat, Professore associato per lo sviluppo professionale della famiglia Hartz di Ingegneria, Scienza e Meccanica, Ingegneria biomedica e Neurochirurgia, Penn State, e il suo team di ricerca.
Lo studio è stato pubblicato su Advanced Functional Materials.
Bioprinting: ecco come funziona
Per poter effettuare il fissaggio di un foro nel cranio che coinvolge sia l’osso che i tessuti molli è necessario impiegare una sezione di ossoricavata da un’altra parte del corpo del paziente o da un cadavere. L’osso deve essere coperto da tessuto molle con flusso sanguigno. Successivamente i chirurghi devono riparare i tessuti molli e la pelle: “Questo lavoro è clinicamente significativo. Trattare i difetti dei compositi, fissando i tessuti duri e molli contemporaneamente, è difficile. E per l’area cranio-facciale, i risultati devono essere esteticamente gradevoli“, ha dichiarato Ozbolat.
Ozbolat e il suo team hanno sfruttato la bioprinting mediante estrusione e la bioprinting di goccioline di miscele di cellule e materiali di supporto per stampare sia ossa che tessuti molli: “Non esiste un metodo chirurgico per riparare contemporaneamente i tessuti molli e duri“, ha spiegato Ozbolat. “Questo è il motivo per cui abbiamo mirato a dimostrare una tecnologia in cui possiamo ricostruire l’intero difetto – dall’osso all’epidermide – in una volta“. Gi esperti di sono inizialmente interessati al problema della sostituzione ossea, iniziando in laboratorio e passando a un modello animale. Avevano bisogno di qualcosa che fosse stampabile e non tossico e potesse riparare un foro di 5 millimetri nel cranio. L‘inchiostro del tessuto duro è composto da collagene, chitosano, nano-idrossiapatite e altri composti e cellule staminali mesenchimali, cellule multipotenti presenti nel midollo osseo che sviluppano ossa, cartilagine e grasso del midollo osseo.
L’inchiostro per tessuti duri viene estruso a temperatura ambiente ma si riscalda fino a raggiungere la temperatura corporea quando viene applicato. Questo crea un legame incrociato fisico del collagene e di altre porzioni dell’inchiostro senza alcun cambiamento chimico o la necessità di un additivo reticolante. Gli studiosi hanno utilizzato la stampa a gocce per creare il tessuto molle con strati più sottili dell’osso. Hanno usato collagene e fibrinogeno in strati alternati con composti che favoriscono la reticolazione e la crescita. Ogni strato di pelle, inclusi l’epidermide e il derma, è diverso, quindi gli strati di tessuto molle bioprintati differivano per composizione.
Gli esperimenti di riparazione di fori da 6 mm nella pelle a tutto spessore si sono rivelati efficaci. Una volta che il team ha compreso separatamente pelle e ossa, è passato alla riparazione di entrambi durante la stessa procedura chirurgica:
“Questo approccio è stato un processo estremamente impegnativo e in realtà abbiamo trascorso molto tempo a trovare il materiale giusto per ossa, pelle e le giuste tecniche di bioprinting”, ha affermato Ozbolat.
Dopo un’attenta imaging per determinare la geometria del difetto, i ricercatori hanno depositato lo strato osseo. Hanno quindi depositato uno strato barriera che imita il periostio, uno strato di tessuto fortemente vascolarizzato che circonda l’osso sul cranio: “Avevamo bisogno della barriera per garantire che le cellule degli strati cutanei non migrassero nell’area ossea e iniziassero a crescere lì“, ha detto Ozbolat. Dopo aver stabilito la barriera, i ricercatori hanno stampato gli strati di derma e poi l’epidermide.
“Ci sono voluti meno di 5 minuti per la bioprinter per deporre lo strato osseo e il tessuto molle“, ha detto Ozbolat. I ricercatori hanno eseguito più di 50 chiusure di difetti e raggiunto la chiusura del 100% dei tessuti molli in quattro settimane. Il tasso di chiusura dell’osso era dell’80% in sei settimane, ma Ozbolat ha notato che anche con la sostituzione dell’osso prelevato, la chiusura ossea di solito non raggiunge il 100% in sei settimane.
Secondo Ozbolat, il flusso sanguigno all’osso è particolarmente importante e l’inclusione di composti vascolarizzanti è un passo successivo. I ricercatori vogliono anche tradurre questa ricerca in applicazioni umane e stanno continuando a lavorare con neurochirurghi, chirurghi cranio-maxillo-facciali e chirurghi plastici presso il Penn State Hershey Medical Center. Gestiscono un dispositivo di bioprinting più grande su animali più grandi.
