Biological integration of hollow fibers to perfuse bioprinted tissue

Bioprinting represents a promising technology for the development of high biomimetic in-vitro models that aims to recapitulate the complexity of human organs and tissues, providing predictive platforms for drug testing. In this method a bioink, composed of human derived cells encapsulated within a hydrogel is loaded in the bioprinter for deposition of 3D structures in a standardized manner. Then, after culture phase, adhesion, proliferation, migration and differentiation of cells take place resulting in a self-assembled tissue. A further increase of tissue biomimicry, complexity and size, require the development of internal vascularization. Based on this concept, the aim of this thesis is to integrate a perfusion system in a bioprinted scaffold, by introducing a hollow fiber bundle connected to a fluidic circuit. The bioink consists of mesenchymal stromal cells encapsulated in methacrylate gelatine hydrogel enriched with hyaluronic acid. The hollow fibers, as a porous permeable membrane allow the mass exchange of nutrients and waste removal. The bioprinting process and the assembly of the different components of the platform have been optimized. The obtained models have been connected to a perfusion circuit with a peristaltic pump. Following a period of dynamic culture, it has been analyzed through histological assays how the release kinetics of perfused hollow fibers impacts on cell viability, proliferation and tissue development. The obtained results are fundamental for the development of a platform to study drug diffusion and/or cells in the context of a pathological tissue and will be the turning point for the introduction of intravascularization approach in 3D cellular models.

Il bioprinting rappresenta una tecnologia promettente per lo sviluppo di modelli invitro altamente biomimetici che hanno lo scopo di ricapitolare la complessità degli organi e dei tessuti umani, fornendo piattaforme predittive per la sperimentazione di farmaci. Un bioinchiostro, composto da cellule di derivazione umana incapsulate in un idrogel, viene caricato nella biostampante per la deposizione di strutture 3D in modo standardizzato. Quindi, dopo la fase di coltura, l'adesione, la proliferazione, la migrazione e la differenziazione delle cellule danno luogo a un tessuto autoassemblato. Un ulteriore aumento della biomimesi, della complessità e delle dimensioni del tessuto richiederebbe lo sviluppo di una vascolarizzazione interna. Partendo da questo concetto, l’obiettivo di questa tesi consiste nel realizzare un sistema di perfusione dentro uno scaffold biostampato, mediante l’introduzione di un gruppo di fibre cave collegate a un circuito fluidico. Il bioinchiostro è costituito da cellule stromali mesenchimali incapsulate in idrogel di gelatina metacrilata arricchita con acido ialuronico. Le fibre cave, essendo porose e permeabili, consentono lo scambio di sostanze nutritive e la rimozione degli scarti. Il processo di bioprinting e l'assemblaggio dei diversi componenti della piattaforma sono stati ottimizzati. I modelli ottenuti sono stati collegati a un circuito per la perfusione con una pompa peristaltica. Dopo un periodo di coltura dinamica, è stato analizzato attraverso saggi istologici l'impatto della cinetica di rilascio delle fibre cave perfuse sulla vitalità cellulare, sulla proliferazione e sullo sviluppo del tessuto. I risultati ottenuti sono fondamentali per lo sviluppo di una piattaforma per lo studio della diffusione dei farmaci e/o delle cellule nel contesto di un tessuto patologico e saranno il punto di svolta per l'introduzione dell'approccio di intra-vascolarizzazione in modelli cellulari 3D.