Introduzione
La meccanobiologia e l'ingegneria dei tessuti richiedono sistemi di bioreattori meccanici in grado di applicare sollecitazioni cicliche definite alle cellule e ai tessuti in vitro e di valutare le proprietà meccaniche dei tessuti in sviluppo.
In questo articolo, esploriamo un innovativo bioreattore meccanico stampato in 3D, progettato per essere economico, personalizzabile e multifunzionale.
Figura: Riassunto grafico
Perché un Bioreattore Meccanico?
Il carico meccanico è cruciale per orientare la differenziazione delle cellule staminali e la formazione di tessuti ingegnerizzati. Le cellule staminali coltivate su substrati bidimensionali o scaffold tridimensionali rispondono agli stimoli meccanici differenziandosi in vari lignaggi come ossa, tendini, cartilagini, legamenti e muscoli scheletrici. Per applicare questi stimoli in vitro, è necessario un bioreattore meccanico. Tuttavia, i bioreattori tradizionali sono spesso costosi, limitati nella personalizzazione e privi di capacità di misurazione della forza.
Innovazione della Stampa 3D
La tecnologia della stampa 3D offre una soluzione efficace e accessibile per superare queste limitazioni. Abbiamo utilizzato la stampa 3D per progettare e realizzare un bioreattore meccanico a basso costo, personalizzabile e multifunzionale.
I principali vantaggi includono:
- Costo Ridotto: Il bioreattore stampato in 3D costa una frazione dei sistemi commerciali.
- Facile Personalizzazione: La stampa 3D consente di adattare il bioreattore alle specifiche esigenze sperimentali.
- Funzionalità Avanzata: Il sistema stimola meccanicamente le cellule in coltura e valuta le proprietà meccaniche dei tessuti molli.
Progettazione e Costruzione del Bioreattore
Il bioreattore è stato progettato utilizzando un software CAD e costruito con stampanti 3D.
Le principali caratteristiche includono:
- Camere di Coltura: Le camere rettangolari sono progettate per mantenere cellule e tessuti ingegnerizzati in un ambiente di coltura controllato.
- Impianto di Carico e Ganci: Sono stati sviluppati ganci personalizzati per montare e fissare i tessuti molli e gli scaffold 3D.
- Sistema di Attuatori e Celle di Carico: Il bioreattore è dotato di software personalizzato per controllare attuatori e monitorare le celle di carico, permettendo esperimenti ad alta capacità e valutazioni delle proprietà meccaniche.
Figura: Disegni delle camere del bioreattore meccanico personalizzato, delle pinze e dei pozzetti di semina dello scaffold. (A) Camera, (B) pinze e (C) braccio attuatore progettati per la valutazione meccanica dei tessuti molli. I fori passanti nelle impugnature consentono il montaggio sicuro dei tessuti utilizzando viti e dadi in acciaio inossidabile per evitare lo scivolamento durante la trazione. (D) Camera di coltura cellulare, (E) impugnatura a moschettone e (G) braccio attuatore per la coltura cellulare sterile. I fori passanti sono stati eliminati e il sistema a moschettone fissa con successo gli scaffold seminati con le cellule. (F) Pozzi personalizzati per la semina di scaffold con cellule.
Le modifiche al design tradizionale includono l'orientamento verticale per ridurre le forze fuori asse e la riduzione del numero di parti in movimento per migliorare la precisione delle misurazioni.
Risultati e Applicazioni Future
Questo bioreattore stampato in 3D ha dimostrato di essere efficace nella stimolazione meccanica delle cellule e nella valutazione delle proprietà meccaniche dei tessuti molli. Le valutazioni meccaniche hanno incluso tendini di topo e spugne di collagene. I risultati mostrano che la tecnologia 3D è promettente per sviluppare bioreattori personalizzabili, a basso costo e multifunzionali.
Figura: Camere di coltura cellulare stampate in 3D e montate nel sistema bioreattore. Gli accoppiatori in acciaio inossidabile collegano i bracci degli attuatori agli attuatori lineari e alle celle di carico. I coperchi in policarbonato trasparente sigillano le camere. Le impugnature personalizzate per tessuti molli fissano gli scaffold e impediscono lo scivolamento durante il caricamento. L'intero sistema può essere inserito in un incubatore per colture cellulari standard.
Vantaggi e Limiti:
- Costo di Produzione: Ogni assemblaggio della camera costa circa 4,90 USD da stampare.
- Riutilizzabilità: I componenti stampati possono essere sterilizzati e riutilizzati.
- Capacità di Forza: Il sistema è attualmente limitato a carichi di forza massimi di meno di 10 N, ma questo limite può essere superato con celle di carico di maggiore capacità.
Conclusioni
Con questo studio è stata mostrata una metodologia per la progettazione e la fabbricazione di un bioreattore meccanico stampato in 3D, utile per applicazioni di meccanobiologia e ingegneria dei tessuti. Il sistema ha valutato con successo le proprietà meccaniche di tessuti molli e scaffold ingegnerizzati, e ha stimolato meccanicamente cellule in coltura. Studi futuri si concentreranno su colture cellulari a lungo termine e sull'influenza degli stimoli meccanici sulla formazione dei tessuti ingegnerizzati.
Per ulteriori dettagli sullo studio, fare affidamento all'articolo originale. Qui i riferimenti:
Abigail R. Raveling, Sophia K. Theodossiou, Nathan R. Schiele,
A 3D printed mechanical bioreactor for investigating mechanobiology and soft tissue mechanics,
MethodsX,
Volume 5,
2018,
Pages 924-932,
ISSN 2215-0161,
https://doi.org/10.1016/j.mex.2018.08.001.
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2215016118301298)
