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3D Bioprinting of JOINT Replacements

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«Impianti viventi» personalizzati offrono speranza ai malati di osteoartrosi

La medicina rigenerativa promette un trattamento migliore per il danno articolare rispetto all’unica opzione attuale di una sostituzione articolare completa. In un cambiamento di paradigma lontano da approcci puramente biologici, il progetto 3D-JOINT ha utilizzato la biostampa per imitare le proprietà biomeccaniche della cartilagine.

Salute

Il danno articolare provoca dolore e perdita di funzionalità, spesso compromettendo anche la mobilità. Può anche innescare un circolo vizioso di crescente degenerazione della cartilagine e delle ossa sottostanti alle articolazioni, portando alla invalidante malattia definita osteoartrosi (OA). L’OA è la principale causa di fragilità tra gli anziani, che si verifica in oltre 40 milioni di persone in Europa. Con la nostra società che invecchia rapidamente, questa prevalenza è destinata ad aumentare in maniera drastica, aumentando i costi sanitari associati. Il progetto 3D-JOINT, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca, ha sviluppato «impianti viventi» personalizzati simultaneamente da filamenti di polimero termoplastico riassorbibile biostampati in 3D e idrogel contenenti cellule in coltura per promuovere la rigenerazione articolare. «Il deposito di biomateriali e cellule strato per strato ha consentito il controllo sul loro posizionamento e sulla loro organizzazione. Questa precisione ha prodotto tessuti duraturi con proprietà biomeccaniche molto migliori», spiega Jos Malda, coordinatore del progetto. «Una tecnologia per fabbricare impianti in questo modo non era mai stata sviluppata prima.»

Lo stato dell’arte che avanza

Il trapianto di cellule specializzate è una soluzione migliore rispetto alla semplice riparazione di tessuti malati o danneggiati, poiché consente a queste cellule di aiutare la naturale rigenerazione delle articolazioni. L’uso di cellule staminali di donatori, come approccio in un unico passaggio, è già stato esplorato in precedenza. Tuttavia, i trapianti non hanno creato impianti sufficientemente stabili, né adattati adeguatamente ai contorni dell’articolazione. L’approccio di biostampa di 3D-JOINT è stato in grado di soddisfare entrambi i criteri. Per trattare i difetti della cartilagine, le cellule vengono raccolte dai pazienti, moltiplicate in laboratorio, quindi impiantate nuovamente nell’area difettosa, mantenendole in posizione utilizzando una matrice morbida e/o colla di fibrina. In primo luogo, per convalidare l’approccio della biofabbricazione e per valutare l’integrità meccanica degli impianti, sono stati sviluppati strutture cilindriche composite. Queste contenevano ossa e cartilagine integrate stampate da biomateriali e cellule. Per le generazioni successive, le strutture sono state ingrandite e sono stati realizzati impianti di forma più complessa. Il processo di biostampa convergente di 3D-JOINT ha migliorato l’integrazione dei componenti di cartilagine e ossa, consentendo al contempo il controllo della deposizione simultanea di microfibre e cellule. Le microfibre hanno arricchito l’integrità strutturale dell’impianto in quanto sono state fuse in una parte cartilaginea superiore a base di fosfato di calcio e in una parte ossea inferiore, in cui queste fibre sono ancorate. Ciò ha garantito l’integrazione delle due parti. I polimeri di idrogel hanno predisposto un substrato ideale per la nuova formazione di cartilagine con le cellule rigenerative depositate attraverso una matrice tessuto-specifica in tutto il gel. «I modelli computazionali e i progressi nella progettazione della microfibra, ispirati dall’orientamento delle fibre di collagene nel tessuto nativo, hanno aumentato significativamente sia le proprietà di compressione che di taglio di questi impianti», riferisce Malda. Testando il loro approccio su modelli equini, il gruppo di ricerca ha migliorato il design di impianti plug in micro-scala utilizzati per trattare la lesione osteocondrale, e questi hanno dimostrato di resistere al difficile ambiente del ginocchio. Successivamente, sono state fabbricate e testate meccanicamente in un modello di capra ex vivo strutture osteocondrali personalizzate più grandi, basate su scansioni TC e costituite da uno strato di cartilagine rinforzato con fibre.

Condivisione della conoscenza per sviluppi futuri

La conoscenza acquisita durante il progetto 3D-JOINT è già stata introdotta alla prossima generazione di ricercatori attraverso il programma del Master in biofabbricazione dell’Università di Utrecht, una scuola estiva annuale e un corso online. Tramite BioArchitect, un progetto Eurostars, 3D-JOINT ha anche aiutato REGENHU, un produttore leader mondiale di apparecchiature di biostampa di fascia alta, a sviluppare un sistema di biostampa convergente commerciale. «Siamo ora concentrati sullo sviluppo del nostro biomateriale flessibile che induce la formazione ossea come trattamento duraturo per la displasia dell’anca», afferma Malda. Per quanto riguarda la riparazione dei difetti cartilaginei più imponenti, il gruppo di ricerca sta preparando uno studio clinico sugli equini più ampio, prima di cercare di avviare le sperimentazioni sull’uomo.

Parole chiave

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