3D printed biomimetic scaffolds loaded with nanoparticles for sustained dual-stage drug delivery

This research delves into the novel design of a three-dimensional printed scaffold for the sustained and localized delivery of Resiquimod (R848) loaded nanoparticles, whose aim is to convert tumor-associated macrophages. Leveraging advances in nanomedicine, these biodegradable polymeric nanoparticles were synthesized with suitable size and specific chemical-physical properties. These nanoparticles are primarily constituted by a block copolymer, combining lipophilic core and hydrophilic shell units. The core was explicitly designed to provide attachment sites for R848. The synthesis of nanoparticles was a product of a three-step procedure: the reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization of a zwitterionic monomer, the ring opening polymerization of an ε-caprolactone monomer, followed by the reversible addition-fragmentation chain transfer emulsion polymerization of the previously synthesized macromonomer. The third step also allowed for the functionalization of nanoparticles with fluorescent monomers, predominantly Cyanine 7, due to its minimal autofluorescence and deeper tissue penetration, ensuring effective cellular uptake visualization. In this study, the biomimetic structure that has become a hallmark of modern 3-D bioprinted scaffold design plays a crucial role. Recognizing the intrinsic lattice structure of bones, lattice morphologies were given priority. This dual-stage drug delivery system ingeniously employs the scaffold as a reservoir for nanoparticles, which release the bound drug from the nanoparticles upon coming into contact with physiological fluids. The release efficacy is governed by the harmonized attributes of the nanoparticle polymeric structure and the three-dimensional scaffold. Two distinct kinetics profiles were discerned: the molecule while it is still chemically attached to the nanoparticle and the freely available drug for the target tissue. A versatile localized delivery mechanism was validated using commercial bioinks like GelMA and PEGDA500, capable of releasing a drug mimic, 6-Aminofluorescein, for over a week. The scaffold adaptability in therapeutic windows as well cell viability were also examined, emphasizing morphology and material selection. The outcomes of this research not only underscore the potential of three-dimensional bioprinted scaffolds in localized drug delivery but also spotlight the intersection of nanomedicine and biomimetic design in advancing therapies for bone cancer.

In questo lavoro sono state usate tecnologie di stampa additiva per la produzione di uno scaffold tridimensionale per la somministrazione sostenuta e localizzata di Resiquimod (R848), la cui funzione è convertire il fenotipo dei macrofagi associati al tumore. Per raggiungere questo scopo, sono state sintetizzate nanoparticelle polimeriche biodegradabili con dimensioni adeguate e proprietà chimico-fisiche specifiche. Queste nanoparticelle sono costituite principalmente da un polimero a blocchi, che combina un core lipofilo e una shell idrofila. Il nucleo è stato specificatamente progettato per fornire siti di legame per il Resiquimod. La sintesi delle nanoparticelle richiede tre fasi: la polimerizzazione reversibile per addizione-frammentazione a trasferimento di catena di un monomero zwitterionico, la polimerizzazione ad apertura di anello di un monomero ε-caprolattone, seguita infine dalla polimerizzazione reversibile per addizione-frammentazione a trasferimento di catena in emulsione del macromonomero precedentemente sintetizzato. La terza fase ha permesso anche la funzionalizzazione delle nanoparticelle con monomeri fluorescenti, prevalentemente la cianina 7 (Cy7), grazie alla sua minima autofluorescenza e alla penetrazione più profonda nei tessuti, garantendo un'efficace visualizzazione dell'assorbimento cellulare. La struttura biomimetica, che è diventata un elemento distintivo della progettazione contemporanea di scaffold biostampati 3-D, gioca un ruolo fondamentale in questo studio. Riconoscendo la struttura reticolare intrinseca delle ossa, è stata data importanza alle morfologie reticolari. Questo sistema di rilascio di farmaci a doppio stadio impiega ingegnosamente l'impalcatura come serbatoio per le nanoparticelle, che rilasciano il farmaco legato al contatto con i fluidi fisiologici. L'efficacia del rilascio è regolata dagli attributi armonizzati della struttura polimerica delle nanoparticelle e dell'impalcatura tridimensionale. Sono stati individuati due profili cinetici distinti: la molecola quando è ancora chimicamente legata alla nanoparticella e il farmaco liberamente disponibile per il tessuto obiettivo. Un versatile meccanismo di rilascio localizzato è stato validato utilizzando bioink commerciali come GelMA e PEGDA500, in grado di rilasciare il farmaco mimico, la 6-aminofluoresceina, per oltre una settimana. È stata inoltre esaminata l'adattabilità dello scaffold alle finestre terapeutiche, ponendo l'accento sulla morfologia e sulla selezione dei materiali I risultati di questa ricerca non solo sottolineano il potenziale degli scaffold tridimensionali bio-stampati per la somministrazione localizzata di farmaci, ma evidenziano anche l'intersezione tra nanomedicina e progettazione biomimetica nel progresso delle terapie per il cancro osseo.