Progettazione e realizzazione di un ago coassiale modulare per il bioprinting di costrutti pre-reticolati per colture cellulari a lungo termine

Colorectal cancer is the second leading cause of death worldwide. The main cause of therapy failure is drug resistance mechanism. In order to improve their efficacy, a deeper understanding of the mechanisms related to this phenomenon would be necessary. In this context, 3D in vitro models are capable of reproducing, on a small scale, the behavior of tumors much more than standard 2D cell cultures. One of the most promising strategies for the fabrication of 3D models is 3D Bioprinting, a technology characterized by high reproducibility and adaptability to the specific application. Among the most common biological matrices used for cancer research, matrigel™ is the most widely used due to its biochemical composition that provides a physiologically relevant environment. However, because of its complex rheology, its high cost, its inter-batch variability, and its thermo-sensitive behavior, it is commonly used in combination with other hydrogels. Therefore, the following thesis work focused on the design and fabrication of a modular three-fluid coaxial needle capable of fabricating a fiber with a core suitable for cell encapsulation, such as diluted matrigel™ and an outer layer of pre-crosslinked alginate to provide mechanical support offering a more easy-handling and economical solution. An analytical model was made to understand the fluid dynamics present inside the coaxial needle, and three different versions of the nozzle were fabricated by stereolithographic 3D printing (SLA) with a biocompatible resin: single block, two interlocking pieces, and two pieces with screw attachment. Optimization of materials was, in addition, carried out: gelatin for the core and pre-crosslinked alginate for the outer layer. Several concentrations and printing parameters were tested in order to obtain continuous and homogeneous fibers. In addition, to enable the constructs to be used for long-term cell cultures, the constructs were subjected to an additional post-crosslinking process and the optimal parameters were evaluated with swelling and degradation tests.

Il cancro al color retto è la seconda principale causa di morte nel mondo. Il principale motivo per il fallimento delle terapie è legato al fenomeno della farmaco-resistenza. Per migliorare la loro efficacia, sarebbe necessaria una conoscenza più approfondita dei meccanismi relativi a questo fenomeno. In questo contesto, i modelli tumorali 3D in vitro sono capaci di riprodurre, su piccola scala, il comportamento dei tumori molto più delle colture cellulari 2D standard. Una delle più promettenti strategie per la fabbricazione dei modelli tridimensionali, è il 3D Bioprinting, una tecnologia caratterizzata da un’elevata riproducibilità ed adattabilità alla specifica applicazione. Tra le più comuni matrici biologiche impiegate per la ricerca sul cancro, il matrigel™ è la più diffusa, grazie alla sua composizione biochimica che fornisce un ambiente fisiologicamente rilevante. A causa però della sua complessa reologia, il costo elevato, la variabilità inter-lotto e il suo comportamento termosensibile, è solitamente utilizzato in combinazione con altri idrogeli. Pertanto, il seguente lavoro di tesi si è focalizzato sulla progettazione e realizzazione di un ago coassiale modulare a tre fluidi, capace di realizzare una fibra con un nucleo adatto all’incapsulamento cellulare, come ad esempio matrigel™ diluito, e uno strato esterno di alginato pre-reticolato che garantisca supporto meccanico, in modo tale da offrire una soluzione più economica e di più semplice gestione. È stato realizzato un modello analitico che permettesse di comprendere la fluidodinamica presente all’interno dell’ago coassiale e sono state progettate, mediante stampa 3D stereolitografica (SLA) con una resina biocompatibile, tre diverse versioni dell’ugello: blocco unico, due pezzi ad incastro e due pezzi con aggancio a vite. È stata, poi, effettuata l’ottimizzazione dei materiali: gelatina per il nucleo e alginato per lo strato di rivestimento. Sono state testate varie concentrazioni e vari parametri di stampa al fine di ottenere delle fibre continue e omo- genee. Inoltre, per consentire l’utilizzo dei costrutti per colture cellulari a lungo termine, sono stati sottoposti ad un ulteriore processo di post-reticolazione e i parametri ottimali di processo sono stati determinati mediante test di degradazione e rigonfiamento.