Progettazione e sviluppo di un setup per il bioprinting di costrutti tubulari

3D bioprinting represents one of the latest frontiers of regenerative medicine and an incredible opportunity for the treatment of many different pathologies. With an ever-increasing number of patients requiring organ transplants, while waiting lists lenghten every day, being able to produce cellularized constructs for tissue regeneration has become an increasingly studied alternative. 3D bioprinting combines the production of cellular constructs of tissue engineering with the versatility of a 3D printing process, thus allowing the creation of complex structures with minimal material waste. In this thesis work we delve deeper into how this approach can be applied to the production of tubular cellular constructions, in particular with the aim of producing aortic substitutes. The aorta indeed represents a complex challenge for regenerative medicine, being the largest blood vessel in the human body, with a highly stratified structure, and capable of withstanding the highest internal pressures of any artery. The main challenge faced was to design a setup for 3D bioprinting that would allow the production of tubular constructs of relevant length for the replacement of sections of the aorta for various pathologies, such as aortic aneurysm or acute aortic syndromes. As it is possible to observe from the current state of the art, the main difficulty that emerges in the bioprinting process of tubular constructs is the length. These types of constructs, when printed, above a few cenimetres tend to collapse under their own weight. This is due to the fact that the cytocompatible bioinks normally used are hydrogels composed of materials with low mechanical properties. A specific setup was designed to overcome this limit. The printing tests were carried out using an alginate and gelatin-based bioink. To allow cross-linking of the internal wall of the printed constructs, in particular, the setup was specifically designed to accommodate a sheet of gelatin and calcium chloride. This sheet was designed to act as a support during printing, and then dissolve, during culture in the bioreactor. Limitations have emerged, and the setup as a whole is still perfectible, but it has succeeded in its main objective by allowing the printing of constructs up to 6cm long with a PEGDA (polyethylene glycol diacrylate) test ink, maintaining their structure without collapse.

Il 3D bioprinting rappresenta una delle ultime frontiere della medicina rigenerativa e una incredibile opportunità per la cura delle più disparate patologie. Con un numero sempre più crescente di pazienti che necessitano di trapianti d’organo, mentre le liste di attesa si fanno sempre più lunghe, la possibilità di produrre costrutti cellularizzati per la rigenerazione dei tessuti è diventata un’alternativa sempre più studiata. Il 3D bioprinting combina la capacità dell’ingegneria dei tessuti di produrre costrutti cellularizzati con la versatilità di un processo di 3D printing, permettendo quindi di produrre strutture complesse con il minimo spreco di materiale. In questo lavoro di tesi si va ad approfondire come questo approccio possa essere applicato alla produzione di costrutti cellularizzati tubolari, in particolare con l’obbiettivo di produrre sostituti d’aorta. L’aorta rappresenta infatti una sfida complessa per la medicina rigenerativa, essendo il vaso sanguigno più grande nel corpo umano, con una struttura altamente stratificata, e in grado di sopportare le più alte pressioni interne tra le arterie. La sfida principale affrontata è stata quella di andare a progettare un setup per il 3D bioprinting che permettesse di produrre costrutti tubulari di lunghezza rilevante per la sostituzione di tratti d’aorta per varie patologie, come l’aneurisma aortico o le sindromi aortiche. Come è infatti possibile osservare dall’attuale stato dell’arte la principale difficoltà che emerge nel processo di bioprinting di costrutti di questo tipo è la lunghezza, con la struttura che, quando stampata, al di sopra di pochi centimetri tende a collassare sotto il suo stesso peso. Questo è dovuto al fatto che i bioinchiostri normalmente utilizzati, per essere citocompatibili, sono idrogeli composti da materiali con basse proprietà meccaniche. Si è quindi progettato un setup che potesse superare questo limite. Le prove di stampa sono state effettuate utilizzando un bioinchiostro a base di alginato e gelatina. Per permettere la reticolazione della parete interna dei costrutti stampati, in particolare, il setup è stato appositamente progettato per permettere l’alloggiamento di un foglietto di gelatina e calcio cloruro. Questo foglietto è stato pensato per fungere da supporto durante la stampa, per poi essere eliminato durante la coltura in bioreattore. Il setup nel suo complesso è ancora perfettibile, ma è riuscito nel suo obbiettivo principale permettendo la stampa di costrutti di lunghezza fino a 6cm con un inchiostro di prova in PEGDA (polietilenglicole diacrilato), mantenendone la struttura senza collassare.