Synthesis and characterization of a novel self-healing and shape-memory material for extrusion 3D bioprinting

Extrusion-based-3D bioprinting is a biofabrication technique that allows the production of threedimensional structures with embedded cells by means of deposition of a bioink. The bioink is contained in a cartridge. Thanks to the application of hydrostatic pressure, it can be extruded trough a nozzle and deposited in a layer-wise manner. Bionks requirements are linked to their processability, to the shape retention of printed structures, and to their interaction with cells during all printing phases and also after printing, during successive maturation. Bioinks are usually hydrogels based on both natural and synthetic polymers; however, the need for high resolution structures, obtained by using small nozzles, can hinder cell viability. Small nozzles, in fact, are responsible for high shear stresses during extrusion. The reported work is focused on the development of a hydrogel based on gelatin, dispersion of polyurethane nanoparticles, and gelatin methacryloyl (Gel-WPU-GelMA). This material shows a self-healing behaviour that is tied to the dynamic nature of the polymeric network that constitutes it. Previous works linked self-healing behaviours to better printability of the material and to higher cell viability following extrusion. Additionally, this hydrogel shows shape-memory properties following the exposure to thermal stimuli. The Gel-WPU-GelMA hydrogel was synthetised and characterized to evaluate its printability, self-healing abilities, biodegradability, shape memory properties and ability to maintain cell viability post-extrusion. This hydrogel can potentially open the way to print high resolution structures by employing small nozzles while preserving cell viability and to obtain printed geometries that can be reversibly altered through the application thermal stimuli.

Il 3D bioprinting a estrusione è una tecnica di biofabbricazione che consente la produzione di strutture tridimensionali con cellule incorporate mediante il deposito di un bioinchiostro. Il bioinchiostro è contenuto in una cartuccia e grazie all'applicazione di pressione idrostatica, può essere estruso attraverso un ugello e depositato su di un piatto di deposizione. I requisiti dei bioinchiostri sono legati alla processabilità, alla ritenzione della forma delle strutture stampate e alle interazioni tra il materiale e le cellule durante tutte le fasi di stampa e durante le fasi successive alla stampa dove avviene la maturazione cellulare. Molti bioinchiostri sono idrogeli basati su polimeri naturali o sintetici; tuttavia, la necessità di produrre strutture ad alta risoluzione, ottenute mediante l'uso di piccoli ugelli, può compromettere la vitalità cellulare. Gli ugelli piccoli, infatti, generano elevati sforzi durante la fase di estrusione del bioinchiosrto. Il lavoro riportato si concentra sullo sviluppo di un idrogelo composto da gelatina, dispersione di nanoparticelle di poliuretano e gelatina metacrilata (Gel-WPU-GelMA). Tale idrogelo mostra un comportamento auto-riparante legato alla natura dinamica della rete polimerica che lo costituisce. Lavori precedenti hanno correlato queste proprietà di auto-riparazione ad una migliore stampabilità del materiale e ad una maggiore vitalità cellulare a seguito dell’estrusione. L’idrogelo in questione e mostra inoltre proprietà di memoria di forma a seguito di stimoli termici. L'idrogelo Gel-WPU-GelMA è stato sintetizzato e caratterizzato per valutarne la stampabilità, le capacità di auto-riparazione, la biodegradabilità, le proprietà di memoria di forma e l’abilità di conservare la vitalità cellulare dopo l’estrusione. Questo idrogelo può potenzialmente aprire le porte alla stampa di strutture altamente risolutivi grazie all’uso di ugelli piccoli preservando la vitalità cellulare e offre la possibilità di ottenere geometrie stampate che possono essere alterate in modo reversibile grazie all’applicazione di stimoli termici.