Design, development and validation of collagen-based bioinks for tissue engineering and regenerative medicine

Extrusion bioprinting has gained increasing interest in the last decade of research for numerous applications in tissue engineering and regenerative medicine (TERM). Compared to traditional fabrication techniques, bioprinting offers precise control of the distribution of materials and cells, high precision and resolution, and the potential to recreate complex geometries. However, bioprinting comes with some limitations. Among them, the limited availability of hydrogels with suitable properties for bioprinting is identified as one of the strongest constraints to the advancement of this technique toward clinical translation. In the list of hydrogels with poor printability, the spotlight is on collagen. Despite collagen, the main protein of the human body, being the gold standard biomaterial for numerous TERM applications in contact with cells, its rheological and mechanical properties strongly hamper its use as bioink for extrusion bioprinting. In this context, on one side, this thesis focused on mimicking, via bioprinting, the structural anisotropy that characterizes most human tissues. This property is often overlooked, despite its primary importance for the regenerated tissue properties and functions. By controlling collagen fiber orientation and cell elongation direction post-bioprinting, this thesis demonstrated that structural anisotropy can be induced by modulating the bioink composition and the printing process. On the other side, this thesis focused on enabling a one-step pure collagen bioprinting process. A tannic acid liquid-supporting bath, designed to interact externally and temporarily with collagen during the extrusion process, was adopted to control scaffold geometry during bioprinting. Results show that the core of the scaffold was not affected by the external interaction with tannic acid, thus allowing to obtain a matrix resembling the native ECM. Overall, this thesis explored different feasible directions to enable collagen bioprinting, each focused on a different aspect of native tissues. Both these strategies successfully demonstrated the potential of combining the advantages of collagen scaffolds on one side with the advantages of bioprinting on the other side.

Nel corso dell’ultimo decennio la biostampa 3D ad estrusione ha suscitato crescente interesse nel campo dell’ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa. Rispetto alle tecniche di fabbricazione tradizionali, la biostampa offre un controllo preciso sulla distribuzione di cellule e materiali, alta precisione e risoluzione, ed il potenziale di ricreare geometrie complesse. Tuttavia, la biostampa presenta anche delle limitazioni. Tra queste, la disponibilità limitata di idrogel con proprietà adeguate alla biostampa è riconosciuta come una delle principali limitazioni nell’avanzamento di questa tecnologia verso la traslazione clinica. Tra gli idrogel con scarsa stampabilità, il collagene, principale proteina del corpo umano, è protagonista. Nonostante esso sia considerato il materiale di riferimento per numerose applicazioni nel campo dell’ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa, le sue proprietà reologiche e meccaniche ne impediscono fortemente l’utilizzo come bioink per la biostampa 3D ad estrusione. In questo contesto, la prima parte di questa tesi si è focalizzata sul mimare, attraverso la biostampa, l’anisotropia strutturale che caratterizza la maggior parte dei tessuti umani. Questa proprietà è spesso trascurata, nonostante la sua importanza per le proprietà e funzioni tissutali. Riuscendo a controllare l’orientamento delle fibre di collagene e la direzione dell’allungamento cellulare a seguito della biostampa, questa tesi ha dimostrato che l’anisotropia strutturale può essere indotta regolando la composizione del bioink ed il processo di stampa. La seconda parte di questa tesi si è focalizzata nel rendere possibile il processo di biostampa di collagene puro in un unico step. Un bagno liquido di acido tannico, pensato per interagire esternamente e temporaneamente con il collagene durante il processo di estrusione, è stato sviluppato al fine di controllare la geometria del costrutto durante la biostampa. I risultati mostrano che la parte centrale del costrutto non è influenzata dall’interazione esterna con l’acido tannico, permettendo così di ottenere una matrice simile alla matrice extracellulare nativa. Nel complesso, questa tesi ha esplorato due possibili direzioni per permettere la biostampa del collagene, ognuna incentrata su un diverso aspetto dei tessuti nativi. Entrambe le strategie hanno dimostrato con successo il potenziale derivante della combinazione dei vantaggi dati dal collagene e dalla biostampa.