Design and Optimization of 3D Scaffold Framework based on a New natural polymeric bioink

In ambito medico sono diverse le applicazioni della stampa 3D, in questo lavoro di tesi si è focalizzata l’attenzione sull’impiego della stampa 3D nel campo dell’ingegneria tissutale, e in particolare il 3D Bioprinting. L’obiettivo principale della ricerca è stato la realizzazione di prototipi di Scaffold 3D a base di un nuovo Bioink polimerico naturale, nel presente sono stati inoltre valutati la stabilità e i fattori che potrebbero incidere sulla vitalità e crescita cellulare.Nella fase preliminare della ricerca, gli aspetti formulativi del Bioink sono stati ottimizzati partendo da un Bioink precedentemente formulato in un lavoro di tesi intitolato Investigation on a new bioink for 3D-bioprinting addressed to tissue regeneration, Lavoro svolto presso il Laboratorio Pharmaceutical Technology and Law (PT&L) del Dipartimento di Scienze del Farmaco dell’Università di Pavia, sotto la supervisione della professoressa Conti. Il Bioink ottimizzato, definito o-Bioink in questo lavoro di tesi, è stato ottenuto solubilizzando la polvere Chitosano cloridrato (Cs HCl) nel terreno di coltura DMEM 10% (v/v), alla concentrazione dell’ 8% p/v. Allo stesso modo è stata preparata una soluzione di γ-PGA con una concentrazione del 12% (p/v). Quest’ottimizzazione ha portato all’eliminazione dell’uso di una soluzione di bicarbonato di sodio che aveva lo scopo di aumentare la viscosità della soluzione di Cs HCl del Bioink non ottimizzato. La scelta della solubilizzazione in DMEM 10% v/v favorisce anche la vitalità delle cellule che vengono veicolate nello scaffold.Successivamente sono stati studiati i parametri di processo che consentivano la stampa della struttura con o-Bioink in particolare sono stati definiti diversi parametri di processo; quali velocità di estrusione, dimensioni dell’estrusore, e condizioni di temperatura. Questi parametri sono stati settati ed utilizzati sia per il Bioink che per la soluzione crosslinkante in modo da ottenere strutture di tre strati (γ-PGA – CsHCl - γ-PGA).Al fine di poter migliorare la stabilità della struttura sono stati valutati diversi fattori tra cui la geometria di riempimento, la dimensione dei pori di riempimento, il periodo di crosslinking dopo il processo di stampa e l’introduzione di un Biopaper come supporto strutturale ai tre strati. L’ottimizzazione di questi parametri ha portato alla realizzazione di strutture stabili fino a 28 giorni in terreno di coltura. È stata fatta un caratterizzazione morfologica dei prototipi attraverso il SEM e microscopio a fluorescenza. Da questa analisi è emerso come effettivamente i due polimeri presentino delle diverse porosità, e, che dopo il processo di liofilizzazione,non si è avuto alcun danneggiamento della struttura confermando che i prototipi stampati può essere sottoposti a ciclo di liofilizzazione.Sono stati eseguiti dei test in vitro verificando ed analizzando i valori di pH del DMEM in cui sono immerse le strutture.Infine è stato effettuato un primo processo di 3D bioprinting con delle cellule di fibroblasti umani verificando con un MTT test la vitalità cellulare.