Progettazione, stampa e ottimizzazione di uno scaffold corneale in GelMA C

Therapies currently in use for treatment of corneal pathologies present some limitations such as donor tissue shortage, risk of immunological rejection and chronical administration of immunosuppressive drugs; for these reasons, the research today focuses on the development of artificial scaffolds. The aim of this study is therefore to create an innovative corneal scaffold for regenerative medicine, that imitates the average dimensions of the human cornea, using the pneumatic extrusion INKREDIBLE+ 3D bioprinter. The material chosen for the realization of the scaffold is the bioink GelMA C; this choice is justified by the excellent biocompatibility properties of the components and the cell-friendly photocuring process. Subsequently, the printing parameters and conditions such as speed and pressure, heating timing of the bioink and photocuring protocol were optimized and the printing fidelity was evaluated. The optimization of the photocrosslinking process involved the design of a modular support, manufactured in PLA with an FDM 3D printer, which allows choosing the distance between the construct and the UV lamps. The study continues with the design of the 3D model of the cornea with the respective support, necessary to print the cornea with its anatomical curvature. The material was mechanically characterized with a stress relaxation tests on cylindrical specimens, calculating elastic modulus and relaxation constant. On each corneal scaffold were performed swelling tests to underestimate the rate of swelling of the scaffold and degradation tests to evaluate its kinetics. The main future development is certainly represented by the study of the printing process with cells integrated in the bioink formulation, but it would be also interesting to study a set-up to underestimate the mechanics of the tensile scaffold.

Le terapie attualmente in uso per il trattamento delle patologie corneali comportano dei limiti quali carenza di tessuto da donatore, rischio di rigetto immunologico e somministrazione cronica di farmaci immunosoppressivi; per questi motivi oggi la ricerca verte verso lo sviluppo di scaffold artificiali. L’obiettivo di questo studio è quindi quello di realizzare uno scaffold corneale innovativo per la medicina rigenerativa, che ricalchi le dimensioni medie della cornea umana mediante l’utilizzo della stampante 3D INKREDIBLE+ ad estrusione pneumatica. Il materiale prescelto per la realizzazione dello scaffold è il bioink GelMA C, la cui scelta è giustificata dalle ottime proprietà di biocompatibilità delle componenti e del processo di fotoreticolazione cell-friendly. Successivamente sono stati ottimizzati i parametri e le condizioni di stampa quali velocità e pressione, tempi di riscaldamento del bioink, protocollo di fotoreticolazione ed è stata valutata la fedeltà di stampa. L’ottimizzazione del processo di fotoreticolazione ha previsto la progettazione di un supporto modulare, fabbricato in PLA con stampante 3D FDM, che permettesse di scegliere la distanza tra il costrutto e le lampade UV. Lo studio prosegue poi con la progettazione del modello 3D della cornea e dei supporti necessari per stampare la cornea con la sua curvatura anatomica. Il materiale è stato caratterizzato meccanicamente con prove di stress relaxation su provini cilindrici, calcolando modulo elastico e costante di rilassamento. Su ogni scaffold corneale sono stati eseguiti test di swelling, per valutare il tasso di rigonfiamento dello scaffold, e di degradazione per valutarne la cinetica. Il principale sviluppo futuro è sicuramente rappresentato dallo studio del processo di stampa con cellule integrate alla formulazione del bioink, ma sarebbe interessante studiare inoltre un set-up per valutare la risposta meccanica dello scaffold a trazione.