Design, development, and validation of a bioreactor for the dynamic culture of 3D bioprinted aortic-like constructs

Cardiovascular diseases represent the leading cause of death worldwide, accounting for 44% of the overall deaths in Italy. In particular, aortic aneurysms, aortic dissections, and Peripheral Artery Disease (PAD) are the major pathologies affecting large human vessels. Tissue engineering has the potential to revolutionize current therapeutic strategies and to overcome the limitations and the problems linked with donor implants or synthetic substitutes. However, the challenge in creating bioengineered grafts is to induce and maintain a biomimetic organization, through the application of appropriate biomechanical and biochemical stimuli and adequate mass transport. This work aims to design a specialized bioreactor tailored for the dynamic cultivation of 3D bioprinted aortic-like constructs, ensuring they maintain their significant and physiological dimensions throughout the culture period, while improving their mechanical properties, and their functionality. This is an integral part of a larger project focused on developing cellularized 3D bioprinted aortic-like grafts, composed of gelatin, alginate and decellularized extracellular matrix (dECM). Since a biomimetic environment plays an important role during differentiation and maturation of cells, the aim is to mimic the condition at which the aortic-like constructs are exposed in vivo. This setup favors the mixing of the culture medium, ensuring better oxygenation and mass transfer into the cell-laden scaffold. Moreover, it allows the creation of a fluid shear stress that has the aim to replicate the effects of the blood flow.

Le malattie cardiovascolari rappresentano la principale causa di morte a livello mondiale, contribuendo al 44% dei decessi complessivi in Italia. In particolare, gli aneurismi aortici, le dissezioni aortiche e la malattia arteriosa periferica (PAD) sono le principali patologie che interessano i vasi sanguigni umani di grandi dimensioni. L’ingegneria tissutale ha il potenziale di rivoluzionare le attuali strategie terapeutiche, al fine di superare i limiti legati agli impianti da donatore o ai sostituti sintetici. Tuttavia, la sfida nella creazione di innesti bioingegnerizzati consiste nel promuovere e mantenere un’organizzazione biomimetica attraverso, l’applicazione di adeguate stimolazioni biomeccaniche e biochimiche e ad un appropriato trasporto di massa. Questo lavoro mira a progettare un bioreattore per la coltura dinamica di costrutti simili all’aorta ottenuti con metodi di stampa 3D. L’obiettivo è quello di garantire il mantenimento delle dimensioni fisiologiche del costrutto durante l’intero processo di coltura e di migliorarne, allo stesso tempo, le proprietà meccaniche e la funzionalità. Questo è parte integrante di un ampio progetto incentrato allo sviluppo di innesti simili all’aorta cellularizzati, costituiti da gelatina, alginato e matrice extracellulare decellularizzata (dECM). Un ambiente biomimetico gioca un ruolo importante nel processo di differenziazione e maturazione cellulare, per questo, l’obiettivo è di mimare le condizioni a cui sono esposti i costrutti in vivo. Il setup ottenuto favorisce la miscelazione del terreno di coltura, garantendo una migliore ossigenazione e un trasferimento di massa più efficace alle cellule. Inoltre, permette di generare uno sforzo di taglio, che ha l’obiettivo di replicare gli effetti del flusso sanguigno.