Bioprinting di materiali viventi funzionali microporosi da proteine

Oct 11, 2023

Nature Communications volume 14, numero articolo: 322 (2023) Citare questo articolo

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I materiali viventi riuniscono la scienza dei materiali e la biologia per consentire l’ingegnerizzazione e il potenziamento dei sistemi viventi con nuove funzionalità. La bioprinting promette un controllo accurato sulla formazione di materiali così complessi attraverso la deposizione programmabile di cellule in materiali morbidi, ma gli approcci attuali hanno avuto un successo limitato nella messa a punto dei microambienti cellulari generando al contempo robuste morfologie macroscopiche. Qui, affrontiamo questa sfida attraverso l'uso di inchiostro microgel core-shell per disaccoppiare i microambienti cellulari dal guscio strutturale per ulteriori elaborazioni. Le cellule vengono immobilizzate microfluidicamente nel nucleo viscoso che può promuovere la formazione sia di popolazioni microbiche che di sferoidi cellulari di mammifero, seguite da ricottura interparticellare per fornire impalcature funzionali stabilizzate covalentemente con microporosità controllata. I risultati mostrano che la strategia core-shell mitiga la perdita cellulare offrendo allo stesso tempo un ambiente favorevole per la coltura cellulare. Inoltre, dimostriamo che diversi consorzi microbici possono essere stampati su scaffold per una vasta gamma di applicazioni. Suddividendo in compartimenti i consorzi microbici in microgel separati, la capacità collettiva di bioprocessamento dello scaffold viene notevolmente migliorata, facendo luce sulle strategie per aumentare i materiali viventi con capacità di bioprocessamento.

I materiali viventi sono materiali complessi che incorporano cellule viventi in componenti non viventi1,2. A seconda della natura delle interazioni con le cellule componenti, tali materiali possono variare da mezzi bioinerti che offrono funzioni di impalcatura3,4,5,6,7, a biomateriali istruttivi per le cellule che possono dirigere i comportamenti cellulari8,9,10 e recentemente, anche a matrici geneticamente programmabili prodotte da cellule che imitano la formazione naturale dei biofilm11,12,13,14,15. La funzionalità di tali materiali compositi deriva principalmente da celle incorporate; in quanto tale, il materiale dovrebbe sempre consentire alle cellule di crescere e funzionare correttamente. Tuttavia, in genere ci sono anche forti vincoli sulle proprietà macroscopiche del materiale a causa del requisito funzionale che una struttura finale presenti una forma fisica che possa essere maneggiata, consegnata, conservata, riutilizzata e che protegga le cellule. La sinergia tra materiali e biologia non solo ha trasformato radicalmente la nostra comprensione dei processi cellulari16, ma ci ha anche portato la capacità di progettare sistemi viventi verso una miriade di applicazioni, dalla fornitura terapeutica di cellule per la medicina rigenerativa17,18,19, alla distribuzione su richiesta produzione di sostanze chimiche di alto valore attraverso il biotrattamento microbico6,7.

La manipolazione della distribuzione spaziale delle cellule è una delle capacità più ricercate nel campo dei materiali viventi. La bioprinting ha probabilmente catturato la massima attenzione20,21 per la sua versatilità e compatibilità con molti materiali morbidi adatti alle cellule. Ad esempio, la bioprinting consente la deposizione programmabile di cellule di mammifero in idrogel bioattivi per creare costrutti biologici 3D che ricapitolano meglio la complessità e l'eterogeneità dei tessuti nativi22,23,24,25, che hanno enormi valori traslazionali in biomedicina. Anche i microbi della bioprinting hanno visto un aumento delle applicazioni negli ultimi anni, poiché migliora la nostra comprensione delle comunità batteriche dinamiche26 e offre approfondimenti per il miglioramento dei bioprocessi3,4,5,6. Tuttavia, le attuali routine di bioprinting spesso compromettono l’idoneità per le cellule con una migliore producibilità del materiale, poiché le proprietà meccaniche e reologiche intrinseche del bioinchiostro non possono essere adeguatamente disaccoppiate dai microambienti cellulari27,28. Inoltre, rimane una sfida costruire morfologie materiali macroscopiche arbitrarie con nicchie cellulari ben definite per stabilire interazioni robuste tra diverse comunità cellulari20,21,29.