Bioprinting 4D: Rivoluzionare l'ingegneria tissutale con strutture viventi reattive nel tempo

Esplorare il potenziale trasformativo di Bioprinting 4D nell'ingegneria tissutale. Questa tecnologia innovativa utilizza materiali reattivi agli stimoli per creare strutture dinamiche e viventi che si adattano nel tempo, aprendo la strada ad applicazioni avanzate di medicina rigenerativa. Scopra le sue tecniche, le sfide e le prospettive future nella nostra panoramica completa.

Bioprinting 4D: Strutture viventi che rispondono al tempo

Il contenuto copre diverse aree chiave relative al bioprinting 4D. Inizia con un'Introduzione, che fornisce una panoramica sul bioprinting 3D e 4D e sull'evoluzione delle tecnologie di bioprinting. A seguire, la sezione Bioprinting 4D: Concetti e innovazioni definisce il significato di questa tecnologia e discute l'integrazione del tempo come quarta dimensione. Successivamente, l'attenzione si sposta sui materiali reattivi agli stimoli per il bioprinting 4D, descrivendo in dettaglio vari tipi di materiali reattivi agli stimoli fisici, chimici e biologici, compresi i materiali sensibili alla temperatura, ai campi magnetici, alla luce, al pH e agli enzimi, oltre alle opzioni multiresponsive. La sezione Tecnologie di bioprinting 4D illustra le diverse tecniche, tra cui il bioprinting basato sull'estrusione, il getto d'inchiostro, la stereolitografia e il bioprinting assistito da laser. Seguono le applicazioni del bioprinting 4D nell'ingegneria tissutale, in particolare nell'ingegneria tissutale muscolo-scheletrica, nell'ingegneria tissutale cardiovascolare, nell'ingegneria tissutale nervosa e nelle applicazioni cutanee e di guarigione delle ferite. La discussione affronta poi le sfide e le prospettive future, concentrandosi sullo sviluppo di materiali intelligenti, l'integrazione di scaffold biologici, i nanomateriali auto-assemblanti, i costrutti meccano- e chemio-reattivi e il potenziale per tessuti e organi multifunzionali. La conclusione riassume i risultati chiave e le implicazioni future per la medicina rigenerativa, seguita da una sezione di domande frequenti che rispondono alle domande più comuni sulla bioprinting 4D, i suoi meccanismi, i benefici, le sfide e le possibilità future.

Le procedure di stampa tridimensionale (3D) e di bioprinting hanno permesso di creare progetti biologici sbalorditivi, facendo passi avanti nell'ingegneria dei tessuti e nelle applicazioni di medicina rigenerativa. Comunque sia, i tessuti stampati in 3D non riescono a raggiungere l'obiettivo della potente utilità dei tessuti locali. Il bioprinting quadridimensionale (4D) è sorto di recente come un'innovazione intelligente che consolida il tempo come aspetto finale nelle costruzioni stampate in 3D. Grazie alla miscela di materiali e cellule reattive agli stimoli, il bioprinting 4D prevede la formazione di piani viventi che possono modificare la loro forma, le loro proprietà o le loro funzionalità dopo qualche tempo, a seguito di stimoli esterni. La disposizione degli incontri e il miglioramento della bioprinting 4D derivano dal miglioramento di Stampa 3D e i progressi della bioprinting 3D. La stampa 3D è stata salvaguardata per la prima volta nel 1986 e ha dato una base al bioprinting, consentendo la produzione strato per strato di oggetti 3D. Negli anni '90, sono emersi i pensieri del bioprinting 3D e dell'ingegneria tissutale, provocando spinte nella stampa di creazioni di cellule. Sono state poi sviluppate diverse tecniche di bioprinting, tra cui il bioprinting a getto d'inchiostro, il bioprinting basato sull'estrusione, il bioprinting con aiuto laser e la stereolitografia. Questi progressi tengono conto della situazione esatta delle cellule realizzabili, dei biomateriali e degli atomi biologici per produrre costruzioni di tessuti bioingegnerizzati. L'idea della stampa 4D è stata presentata per la prima volta nel 2013 presso il Massachusetts Establishment of Innovation, includendo l'utilizzo di multimateriali preparati a trasformarsi in modo potente a lungo termine alla luce degli stimoli. Da quel momento in poi, le innovazioni della stampa 4D sono state eseguite utilizzando diversi materiali accorti e responsivi agli stimoli. La riconciliazione tardiva dei biomateriali e delle cellule stimolanti nel bioprinting ha favorito lo sviluppo del bioprinting 4D, consentendo la produzione di strutture dinamiche viventi pronte a cambiare la loro forma, proprietà o utilità in modo controllato. I progressi nei bioinchiostri stimolanti e nei sistemi di bioprinting 4D hanno aperto ulteriori opportunità nelle applicazioni di ingegneria tissutale, impersonando le qualità uniche dei tessuti e degli organi locali. Questa revisione copre diversi materiali reattivi agli stimoli e le innovazioni di bioprinting 4D applicate a varie applicazioni di ingegneria tissutale. Vengono inoltre esaminate le principali difficoltà del settore e le prospettive future.

Il bioprinting 4D è un'innovazione emergente che ha acquisito una crescente considerazione da parte della ricerca negli ultimi tempi. Una ricerca di informazioni rivela come l'interesse per il bioprinting 4D si sia sviluppato in modo significativo nel corso degli ultimi dieci anni. Nel 2012-2013, il termine di ricerca "bioprinting 4D" non ha ottenuto quasi nessun volume di ricerca in tutto il mondo. L'interesse ha iniziato a crescere a partire dal 2014, quando sono stati distribuiti gli esami iniziali sui biomateriali reattivi agli stimoli della stampa 4D e sugli idrogeli caricati con cellule. Il volume di ricerca è aumentato in modo costante negli anni successivi, man mano che si sviluppava la quantità di distribuzioni sull'argomento. Un picco significativo nell'interesse di ricerca si è verificato nel 2018, ragionevolmente guidato da progressi, ad esempio, la prima biostampa 4D di sviluppi vascolari complessi e piattaforme magnetico-reattive per l'ingegneria del tessuto osseo. Il volume di ricerca è rimasto elevato fino al 2020, mostrando un interesse solido e sostenuto sia da parte dei ricercatori affermati che del pubblico. Poiché l'esame e le applicazioni del bioprinting 3D si sono estesi nei campi, ad esempio, dell'ingegneria tissutale e della medicina rigenerativa, molti hanno percepito la necessità di migliorare le costruzioni 3D con un'utilità dinamica. Pertanto, l'interesse per il bioprinting 4D, che può creare costruzioni viventi pronte a cambiare alla luce di stimoli ecologici dopo un certo tempo, sta diventando rapidamente, come da informazioni. Questo propone che la bioprinting 4D sia uno sviluppo in ascesa con una responsabilità gigantesca per le future applicazioni cliniche.

Materiali reattivi agli stimoli per la bioprinting 4D

Materiali che rispondono agli stimoli fisici

Materiali sensibili alla temperatura

I polimeri termosensibili vanno incontro ad avanzamenti di fase sol-gel a causa di variazioni di temperatura rispetto alla loro temperatura di base inferiore o superiore. I normali polimeri sensibili alla temperatura utilizzati sono la poli(N-isopropil acrilamide) (PNIPAAm) e i suoi subordinati, che diventano insolubili al di sopra dei 32°C. Altri modelli incorporano poliuretani a base di poliestere con temperature di avanzamento regolabili vicino al livello di calore interno. Questi materiali trovano applicazione nella bioprinting 4D, grazie alla loro capacità di mantenere le cellule realizzabili durante la stampa e di innescare cambiamenti di forma attraverso stimoli di temperatura dopo la stampa.

Materiali sensibili al campo magnetico

Le costruzioni che rispondono ai campi magnetici contengono miniature o nanoparticelle magnetiche, come particelle ferromagnetiche o paramagnetiche. Quando sono esposte a campi magnetici, queste particelle possono indurre un riscaldamento attraverso l'ipertermia magnetica, innescando cambiamenti di forma. Esempi di nanoparticelle magnetiche consolidate in sviluppi bioprinted 4D sono l'ossido di ferro, che è stato unito a materiali, ad esempio idrossiapatite, gelatina e policaprolattone. I campi magnetici possono essere utilizzati anche per controllare a distanza il collasso degli sviluppi stampati in 4D mediante nanoparticelle magnetiche impiantate senza riscaldamento diretto.

Materiali sensibili alla luce

I materiali fotoreattivi subiscono cambiamenti fisici o chimici quando vengono sottoposti a segnali ottici. I nanomateriali a base di carbonio, ad esempio il grafene e i nanotubi di carbonio, mostrano una deformazione calda reversibile a causa della luce, grazie al loro punto di interazione profumato. Anche le pietre preziose fluide colesteriche rispondono alla luce regolando il loro design autoritario occasionale. I polimeri fotoreattivi modificati con società come la cumarina e l'o-nitro benzil etere vanno incontro a reticolazione o corruzione quando sono animati dalla luce. La luce infrarossa ravvicinata è ideale rispetto a quella luminosa per le applicazioni di bioprinting 4D, grazie alla sua assenza di impatti citotossici.

Materiali reattivi agli stimoli chimici

Materiali sensibili al pH

I polimeri che rispondono al pH contengono raggruppamenti pratici acidi o essenziali che riconoscono o cedono protoni come indicato dalle oscillazioni del pH. I normali polimeri reattivi al pH sono il chitosano, la gelatina e il corrosivo ialuronico. I polimeri ingegnerizzati che rispondono al pH comprendono il poli (corrosivo l-glutammico), il poli (corrosivo acrilico) e il poli(metacrilico corrosivo). Questi materiali si gonfiano o si rompono alla luce delle variazioni di pH, rendendoli preziosi per le applicazioni di medicazione e trasporto di proteine.

Materiali reattivi agli stimoli biologici

Materiali sensibili agli enzimi

I biomateriali responsivi agli enzimi sono destinati a rispondere alla sovraespressione di enzimi specifici collegati a danni tissutali o a stati di malattia. Ad esempio, le metalloproteinasi strutturali (MMP) favoriscono la corruzione delle parti della ECM. Pertanto, i polimeri sensibili alle MMP subiscono la corruzione in presenza di MMP sovraespresse per applicazioni di ricostruzione tissutale. La sortasi A è anche un esempio di enzima utilizzato come reticolante per gli idrogeli biografati 4D, grazie alle sue proprietà di gelificazione delicata e alla compatibilità clinica.

Materiali multi-reattivi

I biomateriali multiresponsivi sono sensibili a combinazioni di stimoli per un maggiore controllo e multifunzionalità. Le combinazioni multistimolo più comuni includono temperatura-pH, campo magnetico-temperatura e pH-campo magnetico. Questi materiali offrono funzionalità avanzate rispetto ai sistemi reattivi a stimolo singolo e hanno applicazioni potenziali nella somministrazione di farmaci e nella medicina rigenerativa.

Tecnologie di bioprinting 4D

Bioprinting 4D basato sull'estrusione

Il bioprinting basato sull'estrusione è solitamente utilizzato per la sua capacità di stampare un'ampia varietà di biomateriali con viscosità da 10-3 a 104 Pa-s. Nel bioprinting basato sull'estrusione, i bioinchiostri stimolanti vengono espulsi attraverso beccucci o aghi, sia in modo costante attraverso una tensione meccanica, sia in modo basato su perline. La tensione applicata deve essere ragionevole. Per evitare l'arresto del beccuccio, le metodologie di reticolazione in situ possono fissare il materiale immagazzinato. Esempi di strutture stampate in 4D ricordano i filamenti a memoria di forma che si sovrappongono e si gonfiano per reagire alle variazioni di temperatura. Il bioprinting basato sull'estrusione è vantaggioso per stampare sferoidi o totali di cellule, grazie alle sue alte densità cellulari, ma l'obiettivo è limitato dalla larghezza del beccuccio.

Bioprinting 4D a getto d'inchiostro

Il bioprinting 4D a getto d'inchiostro deposita bioinchiostri carichi di cellule e reattivi agli stimoli in gocce individuali, utilizzando meccanismi termici, piezoelettrici o elettrostatici. Presenta i vantaggi di un basso utilizzo di materiale e di un'alta risoluzione, ma è limitato ai bioinchiostri a bassa viscosità (<30 mPa-s). Le sollecitazioni di taglio possono compromettere la vitalità delle cellule, a seconda del meccanismo di guida impiegato. I recenti progressi applicano una reticolazione in due fasi per migliorare la stabilità della forma per un comportamento 4D. Stimoli di luce o temperatura inducono comportamenti programmati di allineamento e ripiegamento delle cellule da costrutti stampati in 4D a getto d'inchiostro.

Stereolitografia per la bioprinting 4D

La stereolitografia biostampa idrogeli stimolanti e carichi di cellule mediante fotopolimerizzazione, utilizzando il patterning digitale della luce. Presenta i vantaggi di un'elevata risoluzione delle caratteristiche (<100 μm) e della fedeltà della forma. I recenti adattamenti utilizzano la luce visibile anziché quella UV per evitare la citotossicità. I cambiamenti di forma complessi sono indotti da gradienti di reticolazione o da interfacce multi-materiale. Gli stimoli luminosi possono dirigere i comportamenti delle cellule all'interno dei costrutti stampati, grazie alla reticolazione eterogenea e alle sollecitazioni interne.

Bioprinting 4D assistito dal laser

Il bioprinting laser-assistito utilizza lo spostamento in avanti promosso dal laser o i fenomeni di scomposizione azionati dal laser per creare disegni 4D senza fuoriuscite. Può stampare in 4D bioinchiostri altamente viscosi e multiresponsivi (>1 kPa-s). Recenti adattamenti realizzano la reticolazione in più fasi mediante polimerizzazione a due fotoni nel vicino infrarosso per forme complesse e cariche di cellule. L'integrazione con l'ottica olografica consente di realizzare profili multiraggio per la bioattuazione e l'assemblaggio 4D di reti vascolari complesse.

Applicazioni della bioprinting 4D nell'ingegneria tissutale

Ingegneria tissutale muscoloscheletrica

Il sistema muscoloscheletrico integra ossa, tendini, legamenti, tendini e muscoli scheletrici. La bioprinting 4D consente di produrre modelli di recupero di ossa e legamenti, specifici per il paziente, grazie a biomateriali reattivi. Anche il muscolo scheletrico richiede costrutti 4D con proprietà dinamiche per replicare la funzione del tessuto nativo. Ad esempio, i costrutti termoresponsivi biografati con mioblasti cambiano forma in risposta alla temperatura, dirigendo l'allineamento e la differenziazione cellulare attraverso la sollecitazione meccanica. I compositi magneto-reattivi sviluppati per l'ingegneria del tessuto osseo inducono l'ipertermia locale sotto i campi magnetici, guidando la differenziazione delle cellule staminali. I micro-modelli multi-reattivi a base di grafene dimostrano l'auto-assemblaggio guidato dalla luce e la fusione delle cellule nei miotubi. Il design dinamico dei biomateriali imita la piegatura e l'allineamento dei tessuti nativi, critici per la rigenerazione del tessuto muscolo-scheletrico.

Ingegneria dei tessuti cardiovascolari

Il miocardio richiede la biomimesi del comportamento contrattile dinamico per la riparazione cardiaca funzionale. Gli approcci recenti sfruttano il bioprinting 4D per fabbricare patch cardiaci conduttivi e cellulari che stimolano il comportamento elettromeccanico. I patch di grafene-gelatina reattivi alla luce dimostrano una piegatura guidata dai raggi infrarossi per replicare i profili di deformazione cardiaca, promuovendo la differenziazione cardiogenica delle cellule staminali. Il PU termoresponsivo consente cambiamenti di forma controllati dalla temperatura nei costrutti di cellule staminali cardiache, dirigendo la morfogenesi attraverso spunti meccanici. I modelli vascolari richiedono reti pulsatili che ricapitolino il flusso emodinamico dinamico; l'autoassemblaggio guidato dalla stimolazione di inchiostri conduttivi multiresponsivi produce canali perfusibili. La biomimetica dinamica multi-scala consente la maturazione biomimetica di sostituti cardiovascolari funzionali.

Ingegneria dei tessuti nervosi

I neuroni del sistema nervoso richiedono matrici conduttive che facilitino interazioni intricate. Le strategie recenti sfruttano gli scaffold di guida nervosa assemblati al laser a base di grafene, che presentano un'auto-entubulazione dinamica regolata dal NIR. Le cellule staminali incapsulate dimostrano una differenziazione influenzata dal rimodellamento dinamico. Altre strategie impiegano idrogeli magneticamente reattivi che guidano l'estensione dei neuriti sotto campi elettromagnetici pulsati. Le microsfere di chitosano reattive alla forza ionica auto-assemblano dinamicamente le reti incorporate nei neuroni. La progettazione di biomateriali dinamici che integrano i comportamenti elettromeccanici cellulari è promettente per le interfacce neurali funzionali.

Applicazioni per la guarigione della pelle e delle ferite

La riparazione delle ferite cutanee richiede la rigenerazione delle strutture cellulari stratificate e delle reti vascolari. Le strategie più recenti utilizzano medicazioni in chitosano responsive alla luce che dimostrano una degradazione controllabile, fornendo una consegna prolungata di fattori rigenerativi. I cerotti di gelatina fotoresponsivi foto-formano i cheratinociti e i fibroblasti in equivalenti cutanei bilayer. Inoltre, l'assemblaggio guidato da campi elettrici di cheratinociti e reti microvascolari produce sostituti cutanei completamente cellulari e vascolarizzati. I controlli dinamici consentono la ricreazione spazio-temporale degli ambienti di rigenerazione della pelle nativa, offrendo un trattamento per i difetti cutanei.

Sfide e prospettive future

Sviluppo di materiali intelligenti

Gli attuali biomateriali intelligenti rispondono prevalentemente a stimoli singoli e perdono rapidamente le capacità di trasformazione nel corso di più cicli. Lo sviluppo di biomateriali che rispondono a combinazioni di stimoli fisiologicamente rilevanti con capacità di rimodellamento affidabili per molti cicli rimane una sfida. Le strategie di ottimizzazione dei materiali, come la copolimerizzazione, possono migliorare le proprietà senza compromettere la biocompatibilità.

Integrazione di strutture biologiche

La maggior parte degli attuali costrutti stampati in 4D non riesce a replicare completamente la composizione della matrice extracellulare naturale. I lavori futuri mirano a incorporare componenti ECM decellularizzati o sintetici per istruire il comportamento delle cellule nei costrutti viventi stampati in 4D. La combinazione di componenti ECM bioattivi con biomateriali intelligenti multifunzionali potrebbe promuovere l'auto-organizzazione in tessuti complessi.

Nanomateriali auto-assemblanti

Gli attuali biomateriali supportano modestamente la sopravvivenza cellulare a lungo termine dopo la stampa. Le emergenti nanotecnologie auto-assemblanti a base di peptidi e acidi nucleici possono migliorare la meccanica citoscheletrica e la segnalazione all'interno di costrutti viventi biostampati in 4D. Il loro design modulare consente anche di regolare con precisione le proprietà del materiale senza alterare la biocompatibilità. I lavori futuri potrebbero esplorare l'integrazione di nanomateriali auto-assemblanti come modifiche bioattive per biomateriali intelligenti.

Costrutti meccano e chemioresponsivi

L'imitazione dei microambienti dinamici meccanici e biochimici dei tessuti rimane problematica. Le metodologie future potrebbero produrre costrutti meccanoresponsivi che imitino i profili di deformazione o indurimento dei tessuti, utilizzando parti di ECM ingegnerizzate sostituibili. L'unione di biomateriali intelligenti con organizzazioni endoteliali o cellule di supporto epitomizzate potrebbe accelerare il miglioramento dei costrutti 4D in tessuti perfusi complessi.

Tessuti e organi multifunzionali

Mentre i submillimetri Stampato in 4D I costrutti mostrano garanzia, ma gli obiettivi attuali limitano la costruzione di tessuti e organi eterocellulari coordinati. I lavori futuri potrebbero sfruttare i piani gerarchici basati sui materiali, dirigendo l'auto-raccolta dei tessuti in specialità idrogel biomimetiche uniche. Unendo il bioprinting 4D di sferoidi e organoidi di tessuto, si potrebbero creare letti vascolari coordinati all'interno di inserti viventi eccezionalmente funzionali.

Conclusione

Il bioprinting 4D è sorto come una promettente innovazione creativa che può contribuire a dare impulso ai campi dell'ingegneria tissutale e della medicina rigenerativa. Combinando biomateriali reattivi agli stimoli e cellule viventi, il bioprinting 4D consente di creare progetti biologici complicati con capacità potenti innate. La probabile capacità di ripristinare le qualità di sviluppo dei tessuti locali in modo controllato apre ulteriori opportunità per dimostrare le malattie e creare trattamenti rigenerativi. Sono stati compiuti progressi impressionanti nelle strategie e nei materiali di bioprinting 4D. Diversi idrogeli e polimeri intelligenti hanno mostrato un potenziale come bioinchiostri che possono cambiare forma o capacità a causa di stimoli fisici, chimici o biologici. Gli studi iniziali hanno applicato il bioprinting 4D per realizzare costrutti che si trasformano progressivamente per applicazioni nell'ingegneria dei tessuti muscoloscheletrici, cardiovascolari, apprensivi e cutanei. Tuttavia, permangono diverse difficoltà prima che si possa comprendere la massima capacità del bioprinting 4D. È ancora necessario migliorare i bioinchiostri che mantengono una forte reattività agli stimoli e al contempo promuovono un'elevata ragionevolezza e capacità delle cellule. Gli esami futuri dovrebbero anche concentrarsi sulla creazione di biomateriali multiresponsivi e sul coordinamento di elementi biologici per realizzare modelli di tessuto davvero biomimetici. Si attendono progressi nei progressi della stampa 4D e nella visualizzazione numerica per produrre organi progettati clinicamente applicabili. Con il procedere dello sviluppo, la bioprinting 4D è pronta ad assumere un ruolo trasformativo nei campi della medicina rigenerativa, dello screening dei farmaci, del biosensing e altro ancora. Producendo progetti viventi la cui natura è quella di cambiare alla luce delle circostanze attuali, la bioprinting 4D spingerà i limiti di ciò che è concepibile nella costruzione di tessuti finti funzionali. Con ulteriori sviluppi, un giorno potrebbe essere possibile sviluppare organi sostitutivi completamente personalizzati.

Domande frequenti

D: Che cos'è la bioprinting 4D?

R: La bioprinting 4D è leggermente più avanzata della bioprinting 3D e comporta anche la costruzione di strutture incorporate nelle cellule da biomateriali sensibili agli stimoli. Alcuni di questi progetti si evolvono per alterare la forma o la funzione dopo qualche tempo, a causa di fattori ambientali scatenanti.

D: Come funziona la bioprinting 4D?

R: Il bioprinting 4D unisce bioinchiostri costituiti da cellule viventi, biomateriali e/o materiali brillanti, che cambiano il design al momento dell'utilizzo di un miglioramento. I costrutti biostampati subiscono cambiamenti conformazionali prestabiliti, come il collasso, la torsione, l'unione o la regolazione delle proprietà meccaniche.

D: Quali tipi di stimoli vengono utilizzati?

R: Gli stimoli tipici utilizzati nel bioprinting 4D comprendono temperatura, pH, campi magnetici, energia, luce e fattori biochimici come gli enzimi. Si utilizzano spesso polimeri termoresponsivi e idrogeli a memoria di forma.

D: Quali vantaggi offre la bioprinting 4D rispetto alla stampa 3D?

R: La bioprinting 4D permette ai costrutti di rispecchiare l'idea unica dei tessuti viventi, di subire cambiamenti primari controllati e di maturare in modi fisiologici aggiuntivi. Questa capacità potrebbe rendere possibili farmaci adattati allo sviluppo dei pazienti.

D: Quali difficoltà rimangono per la bioprinting 4D?

R: Le difficoltà principali comprendono l'aggiornamento dei bioinchiostri per mantenere la reattività agli stimoli senza compromettere l'idoneità delle cellule, la creazione di biomateriali multiresponsivi e la produzione di scale di tessuto clinicamente rilevanti con i bioprinters e le innovazioni esistenti. Si dovrebbe inoltre prestare attenzione alle linee guida per l'interpretazione clinica.

D: Quali sono le possibilità di bioprinting 4D?

R: Con i progressi dello sviluppo, la bioprinting 4D potrebbe un giorno consentire la produzione di sofisticati organi personalizzati e far progredire campi come la medicina rigenerativa, il miglioramento dei farmaci e il biosensing. Il progresso dei materiali e delle interazioni spingerà i limiti dell'ingegneria dei tessuti viventi funzionali.