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Controllo preciso del flusso per applicazioni complesse con idrogel

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La testina di stampa Puredyne® aiuta i ricercatori a migliorare la riproducibilità e la fedeltà delle forme nella biostampa basata sull'estrusione

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La bio-stampa 3D basata sull’estrusione è diventata uno strumento importante per la medicina rigenerativa e l’ingegneria tissutale, consentendo la realizzazione di strutture tridimensionali complesse per la ricerca biomedica. Tuttavia, la lavorazione di biomateriali avanzati presenta spesso sfide significative, in particolare quando è richiesta una deposizione del materiale precisa e riproducibile.

Per affrontare queste sfide, i ricercatori del Laboratorio di Biomateriali e Biofabbricazione dell’École de technologie supérieure (ÉTS) di Montreal hanno integrato una testina di stampa Puredyne® nella loro piattaforma di biostampa esistente. L’obiettivo del progetto è migliorare la precisione e la riproducibilità della stampa, acquisendo al contempo una comprensione più approfondita dell’influenza del comportamento di erogazione sulla qualità delle strutture biostampate.

La ricerca è guidata dal professor Ali Ahmadi, con la professoressa Sophie Lerouge in qualità di co-ricercatrice principale. La dottoranda Sara Badr ha svolto un ruolo chiave nel corso dell’intero progetto, contribuendo allo sviluppo dei biomateriali, all’integrazione del processo di stampa e alla validazione sperimentale.

Lavorare con biomateriali complessi

Il lavoro del team si concentra sugli idrogel espansi, una classe promettente di biomateriali per l’ingegneria tissutale e la medicina rigenerativa. La loro struttura porosa può facilitare il trasporto di ossigeno e sostanze nutritive, creando al contempo un ambiente favorevole alla crescita cellulare e allo sviluppo dei tessuti.

Allo stesso tempo, questi materiali presentano un comportamento viscoelastico complesso, che li rende particolarmente difficili da lavorare in modo uniforme. Piccole variazioni nel flusso del materiale possono influire in modo significativo sul posizionamento del filamento e, in ultima analisi, sulla geometria e sulla qualità del costrutto stampato. Per i ricercatori, queste caratteristiche rendono gli idrogel espansi un sistema modello ideale per la valutazione di tecnologie di erogazione avanzate.

Integrazione dell’erogazione di precisione in una piattaforma esistente

Anziché sviluppare un sistema di biostampa completamente nuovo, il team di ricerca ha integrato la testina di stampa Puredyne® nella propria piattaforma consolidata. Per raggiungere questo obiettivo sono stati necessari adattamenti sia meccanici che software.

È stato progettato e realizzato un sistema di montaggio personalizzato utilizzando la tecnologia di stampa 3D per installare in modo sicuro la testina di stampa. Parallelamente, sono state sviluppate ulteriori routine software per consentire la comunicazione e il controllo attraverso l’ambiente operativo esistente della stampante.

Secondo i ricercatori, uno degli obiettivi più critici era la capacità di avviare e interrompere con precisione il flusso di materiale durante la stampa. Gli approcci di estrusione convenzionali possono presentare difficoltà legate al rilascio indesiderato di materiale dopo la deposizione, specialmente quando si lavorano formulazioni altamente viscoelastiche. Questo effetto può influire negativamente sulla precisione di stampa e ridurre la corrispondenza tra il progetto digitale e la struttura finale.

A differenza dei sistemi di estrusione azionati a pressione, la testina di stampa Puredyne® utilizza la tecnologia a cavità progressiva per controllare volumetricamente lo spostamento del materiale. Progettata per un'erogazione a basso taglio e priva di pulsazioni su un ampio intervallo di viscosità, garantisce un'erogazione del materiale altamente ripetibile con avvio e interruzione controllati del flusso, contribuendo a ridurre il rilascio indesiderato di materiale tra un movimento di stampa e l’altro.

Miglioramento della precisione di deposizione

L’integrazione della testina di stampa Puredyne® ha già prodotto risultati incoraggianti. Sebbene sia ancora in corso un’analisi comparativa quantitativa formale, il team ha osservato un avvio e una cessazione del flusso più puliti, un flusso post-estrusione ridotto e un miglior posizionamento dei filamenti depositati.

Questi miglioramenti si sono tradotti in una maggiore corrispondenza tra le geometrie degli scaffold progettati e quelli stampati, con conseguente maggiore fedeltà della forma e risultati di stampa più riproducibili.

«Un controllo costante del flusso è fondamentale nella biostampa. La testina di stampa Puredyne® ci garantisce avviamenti e arresti più puliti, migliorando il posizionamento del filamento e contribuendo a far sì che il costrutto stampato corrisponda più fedelmente al suo progetto digitale.» Sara Badr, dottoranda, Laboratorio di Biomateriali e Biofabbricazione, ÉTS.

Al di là dei miglioramenti osservati nelle prestazioni, il progetto ha evidenziato l’importanza delle dinamiche di erogazione nelle applicazioni di biostampa. I ricercatori hanno scoperto che il modo in cui viene controllato il flusso del materiale, in particolare durante la transizione tra le fasi di estrusione e non estrusione, ha un impatto significativo sulla precisione di stampa durante la lavorazione di schiume e altri idrogel viscoelastici.

Rilevanza al di là del laboratorio di ricerca

Per l’ÉTS, l’integrazione della testina di stampa Puredyne® amplia la capacità del laboratorio di studiare biomateriali che richiedono requisiti particolarmente elevati in termini di stabilità del flusso e precisione di erogazione. Il miglioramento del controllo del processo crea inoltre una piattaforma più solida per la futura ricerca nel campo della biofabbricazione.

Allo stesso tempo, il progetto dimostra come la tecnologia industriale di erogazione di precisione possa essere adattata con successo alle applicazioni biomediche emergenti. Man mano che la biofabbricazione continua a evolversi verso materiali e strutture sempre più complessi, si prevede che la deposizione affidabile dei materiali svolga un ruolo chiave nel garantire la coerenza del processo e la qualità del prodotto. Il progetto illustra inoltre come una testina di stampa di precisione possa essere integrata in una piattaforma di biostampa esistente. Inoltre, mette in evidenza le potenziali applicazioni della tecnologia di dosaggio di precisione nell’automazione di laboratorio, nella biofabbricazione avanzata e nei futuri processi di produzione biomedica.

Prossimi passi

Partendo dai risultati iniziali, i ricercatori intendono valutare una gamma più ampia di biomateriali, compresi gli idrogel contenenti cellule. Il lavoro futuro si concentrerà sulla valutazione quantitativa dell’accuratezza e della ripetibilità della stampa, sull’analisi della biocompatibilità e della vitalità cellulare, nonché sull’esplorazione della fabbricazione di strutture tridimensionali più grandi e complesse. I test con materiali contenenti cellule valuteranno in che misura l’erogazione a basso taglio favorisca le prestazioni di stampa desiderate, mantenendo al contempo la vitalità cellulare.

Man mano che il progetto procede, il team prevede di valutare ulteriormente in che modo un controllo preciso del flusso possa favorire processi di biostampa più affidabili e scalabili per future applicazioni biomediche.