Strategie per la stampa 3D di formulazioni ibride a base di collagene per la realizzazione di scaffold ossei = Strategies for 3D printing of collagen-based systems for the realization of bone scaffolds

Negli ultimi anni, l’ingegneria tissutale si è focalizzata sullo sviluppo di sistemi biomimetici e bioattivi in grado di influenzare e guidare l’attività cellulare, fornendo una valida strategia alternativa alle più convenzionali tecniche farmacologiche e chirurgiche. Specialmente nel caso di patologie come l’osteoporosi, l’uso di scaffold che mimino le caratteristiche fisico-chimiche e strutturali della matrice extracellulare ossea, può essere considerato un fattore chiave nel ripristino del fisiologico bilanciamento tra l’attività di osteoblasti e osteoclasti. In questo scenario, sistemi compositi a base di collagene di tipo I, vetri bioattivi mesoporosi contenenti stronzio (MBG_Sr4%) e nanoparticelle di idrossiapatite (nanoHA), hanno dimostrato di essere sistemi promettenti per mimare le caratteristiche composizionali e nano-strutturali del tessuto osseo. Inoltre, partendo da questi materiali, l’uso di tecnologie di stampa 3D ad estrusione può essere sfruttato per supportare la progettazione di strutture complesse, non essendo tali tecniche soggette ai vincoli di forma e porosità che si presentano spesso con l’uso delle tecniche convenzionali. Tuttavia, queste tecniche di fabbricazione richiedono non solo l’ottimizzazione delle proprietà reologiche del materiale ma anche l’uso di bagni di supporto che permettano l’accurata deposizione del materiale. Partendo da queste considerazioni, le attività di ricerca presentate in questa tesi si sono concentrate sulla ricerca di strategie atte a migliorare il processo di stampa, aumentando la stabilità del materiale stampato, in modo da evitarne il collasso una volta rimosso il bagno di supporto, e migliorando l’accuratezza geometrica finale dello scaffold. Lo studio è stato condotto esplorando le caratteristiche di una formulazione a base di collagene tipo I, contenente sia MBG_Sr4% che nanoHA, a cui si è aggiunto lo 0.1 wt% genipina, un reticolante naturale del collagene, in modo da favorire oltre alla reticolazione fisica del collagene, anche una reticolazione chimica in-situ per potenziarne le proprietà viscoelastiche. In aggiunta al processo di reticolazione in-situ è stato valutato un trattamento di post-reticolazione, incubando il materiale in una soluzione di 0.5 wt% genipina/etanolo per 24 ore. L’effetto dei diversi trattamenti di reticolazione sulle proprietà finali del materiale è stato valutato tramite analisi reologiche e test in vitro di degradazione, esplorando inoltre la capacità dei sistemi di rilasciare ioni stronzio. Oltre a migliorare le proprietà visco-elastiche del materiale, in questo lavoro è stato sviluppato ed ottimizzato un bagno di supporto sacrificale consistente in uno slurry di alginato, per fornire un adeguato sostegno al processo di estrusione ed ottenere una buona fedeltà di stampa. Le strategie precedentemente sviluppate sono state applicate per la realizzazione di scaffold con diverse geometrie, ottimizzando i parametri di stampa ed esplorando la possibilità di riprodurre architetture complesse. Le strutture stampate sono state caratterizzate morfologicamente tramite tecniche di microscopia, mentre analisi di microtomografia computerizzata (microCT) hanno permesso di ottenere una ricostruzione 3D delle strutture realizzate. Per concludere, è stata valutata la citocompatibilità degli scaffold realizzati utilizzando linee cellulari pre-osteoblastiche MG63, valutando l’effetto dei diversi trattamenti di reticolazione sulla vitalità e proliferazione cellulare.