L'osso ha notevoli capacità di rigenerazione come una delle poche strutture del corpo che può guarire ricreando la sua normale composizione cellulare, l'orientamento e la forza meccanica fino a una dimensione critica del difetto, quando la capacità di guarigione endogena è compromessa1. L'osso, insieme alla cartilagine e al legamento, supporta e facilita il movimento del corpo, immagazzinando anche minerali e grassi e producendo cellule del sangue. Come tessuto connettivo duro e denso, l'osso è composto principalmente da una fase inorganica, acqua e materiale organico composto principalmente da fibre di collagene2. Le cellule sono incorporate all'interno di questa matrice altamente mineralizzata di fibre di collagene I e cristalli di idrossiapatite (HA), formando una struttura gerarchica3.
La complessa organizzazione di questo tessuto rende eccezionalmenteimpegnativa la fabbricazione di alternative sintetiche per replicare i micro e nano-ambienti ossei eterogenei 3. A tale scopo, una varietà di materiali, tra cui bioceramiche, idrogel carichi di cellule e materiali sintetici sono stati proposti come soluzioni per creare matrici ossee. Tra le tecniche di fabbricazione degli scaffold sono recentemente emerse tecniche basate sulla stampa 3D che hanno ricevuto molta attenzione dalla comunità dell'ingegneria tissutale grazie alla loro notevole capacità di consentire la fabbricazione di strutture altamente sofisticate e precise con grandi promesse di trattamento specifico per il paziente 4,5,6 . Gli idrogel sono stati la scelta più popolare di imitazioni a matrice e bio-inchiostri poiché possono essere stampati insieme a cellule e molecole bioattive, generando costrutti funzionali6. Tuttavia, gli idrogel mancano delle proprietà funzionali dell'osso, come la resistenza meccanica e una fase altamente calcificata e inorganica contenente cellule metabolicamente attive.
Gli scaffold ceramici stampati in 3D richiedono in genere fasi di post-elaborazione, tra cui sinterizzazione, trattamenti ad alta temperatura o utilizzo di sostanze chimiche aggressive che devono essere accuratamente lavate prima delle applicazioni in vitro o in vivo 5. Per ovviare a queste limitazioni, Lode et al.7 hanno recentemente sviluppato una pasta a base di fosfato α-tricalcico formata da idrossiapatite, che può essere stampata e impostata in condizioni fisiologiche. Tuttavia, questo materiale non può ancora essere stampato insieme a cellule vive in quanto richiede un post-trattamento in un ambiente umido e la successiva immersione in soluzione acquosa per un lungo periodo.
In alternativa, sono stati proposti idrogel carichi di cellule con particelle inorganiche incorporate in sostituzione della matrice ossea 3D 8,9. Nonostante la loro grande capacità di supportare la vitalità cellulare, non sono in grado di ricapitolare l'ambiente densamente mineralizzato del tessuto osseo. Thrivikarman et al.10 hanno adottato un approccio biomimetico in cui è stato utilizzato un mezzo supersaturo di calcio e fosfato con un analogo proteico non collagenoso per imitare meglio la deposizione di apatite su scala nanometrica. Tuttavia, i loro costrutti non possono ancora generare costrutti 3D rigidi con un'architettura su micro e macro scala simile all'osso.
Il presente studio affronta queste carenze attraverso lo sviluppo di una strategia di stampa per fabbricare costrutti che imitano l'osso, in fasi inorganiche e organiche, che sono in grado di integrare sia le cellule che i fattori di crescita11. COBICS ricapitola in modo univoco la struttura minerale e cellulare dell'osso utilizzando una tecnica di bioprinting basata su microgel. Il protocollo qui descritto descrive il processo di sintesi dell'inchiostro ceramico e dei microgel a base di gelatina e quindi la combinazione di cellule che abilitano COBICS. Il processo inizia con la sintesi del principale materiale precursore dell'inchiostro osseo. L'idrogel reticolabile viene quindi sintetizzato e formato in microgel. Infine, l'inchiostro osseo viene depositato omnidirezionalmente in un bagno di supporto dei microgel carichi di cellule (Figura 1).
L'inchiostro osseo può essere stampato in qualsiasi sospensione di microgel che hanno le appropriate caratteristiche di snervamento, cioè la capacità di fluidizzare ad una specifica velocità di taglio e successivamente sostenere la struttura depositata. Sono stati dimostrati due approcci flessibili: una sospensione costituita da microgel di gelatina e una sospensione costituita da microgel di gelatina metacrilato (GelMA). La prima sospensione si dissolve quando la temperatura viene portata a 37 °C, l'incorporazione reversibile a forma libera di idrogel sospesi (FRESH) tecnica12, mentre la seconda può essere fotoreticolata dopo la stampa, "cucendo" efficacemente i microgel insieme e bloccando l'inchiostro osseo stampato in posizione. Il presente studio si concentra sull'utilizzo di GelMA come matrice in quanto offre il vantaggio unico di essere in grado di supportare la crescita cellulare con la stampa in situ di strutture mimetiche ossee complesse. In definitiva, questo approccio consente la generazione di modelli tissutali complessi con alti livelli di biomimetica e ampie implicazioni per la modellazione delle malattie, la scoperta di farmaci e l'ingegneria rigenerativa.

Figura 1: Schema del flusso di lavoro . (A) L'inchiostro osseo viene sintetizzato a partire dalla sintesi del fosfato α-tricalcico e dalla sua successiva combinazione con glicerolo, polisorbato 80 e fosfato di ammonio bibasico. (B) I microgel GelMA sono fabbricati con il metodo dell'emulsione acqua-in-olio. I microgel ottenuti sono quindi (C) idratati e (D) combinati con le cellule. I compositi di microgel cellulare vengono quindi utilizzati come bagno granulare in cui viene depositato l'inchiostro osseo. (E) L'intero costrutto viene quindi reticolato UV e trasferito all'incubatore per la cultura. Abbreviazioni: α-TCP = fosfato α-tricalcico; GelMA = metacrilato di gelatina. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.