Negli ultimi anni, la ricerca accademica e industriale ha fatto passi da gigante nell'utilizzare biomateriali naturali per applicazioni sempre più sofisticate e promettenti. La fibroina, principale proteina strutturale della seta prodotta dal baco da seta Bombyx mori, possiede caratteristiche che la rendono eccezionalmente adatta come bioinchiostro per la bioprinting tridimensionale, grazie alla sua straordinaria combinazione di biocompatibilità, resistenza meccanica e capacità di essere manipolata in diverse forme fisiche. La vera rivoluzione risiede nella versatilità chimica e strutturale. Un team di ricercatori del Tufts University Silklab, guidato dal Professor David Kaplan, ha dimostrato come la fibroina possa essere processata in idrogel con precisione reologica controllabile, permettendo di ottimizzare la viscosità e le proprietà di flusso necessarie per l'estrusione attraverso ugelli micrometrici. Questo controllo fine delle proprietà fisiche è fondamentale per mantenere l'integrità strutturale durante il processo di stampa, un problema critico che ha limitato l'uso di molti altri biopolimeri naturali. Gli studi pubblicati su Nature Materials hanno evidenziato come la struttura secondaria della fibroina possa essere manipolata mediante controllo del pH, temperatura e concentrazione ionica, consentendo transizioni controllate dalla conformazione random coil alla struttura beta-sheet, responsabile della solidificazione del materiale dopo la deposizione.
Quando la seta favorisce la crescita cellulare
La compatibilità della seta con le cellule viventi rappresenta forse il suo vantaggio più significativo nel contesto della medicina rigenerativa. Ricerche condotte presso il Massachusetts Institute of Technology e la Harvard Medical School hanno dimostrato che scaffold di fibroina possono supportare efficacemente l'adesione, la proliferazione e la differenziazione di molteplici tipi cellulari, inclusi fibroblasti, cheratinociti, cellule staminali mesenchimali e condrociti. Questa versatilità cellulare è cruciale quando si considerano approcci di bioprinting multi-materiale e multi-cellulare per la creazione di tessuti complessi. Particolarmente promettenti sono i risultati ottenuti nel 2023 dal gruppo di ricerca del Professor Jinke Zhang dell'Università di Zhejiang, che ha sviluppato un bioinchiostro a base di fibroina contenente nanoparticelle di idrossiapatite per la stampa di scaffold ossei con eccellenti proprietà osteoconduttive, dimostrando significativa mineralizzazione e formazione di nuovo tessuto osseo in modelli murini dopo appena otto settimane dall'impianto.
Degradabilità controllata e medicina rigenerativa
La degradabilità controllata delle proteine della seta rappresenta un altro aspetto fondamentale per le applicazioni in medicina rigenerativa. A differenza di molti polimeri sintetici, la fibroina subisce una degradazione enzimatica che può essere modulata attraverso modifiche chimiche o strutturali della proteina. Studi condotti presso l'Imperial College di Londra hanno mappato con precisione i profili di degradazione di scaffold di seta con diverse percentuali di struttura cristallina, dimostrando come sia possibile programmare i tempi di degradazione da poche settimane a oltre un anno. Questa caratteristica è essenziale per sincronizzare il riassorbimento del biomateriale con i processi di rigenerazione tissutale, un equilibrio delicato che determina in larga misura il successo dell'impianto.
Gli sviluppi più recenti nel campo riguardano la funzionalizzazione chimica della fibroina per incorporare molecole bioattive che guidano specifici comportamenti cellulari. Ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno messo a punto metodi di coniugazione che permettono di legare covalentemente alla struttura proteica fattori di crescita come BMP-2, VEGF e TGF-β, creando così scaffold bioattivi che non solo forniscono supporto strutturale ma anche segnali biochimici localizzati. I risultati pubblicati su Science Advances nell'ottobre 2023 hanno dimostrato come questi scaffold bioattivi stampati in 3D possano indurre risposte cellulari specifiche e localizzate, aprendo la strada a costrutti tissutali funzionalizzati zonalmente per la rigenerazione di interfacce tissutali complesse come l'osteocondriale.
Sistemi multi-ugello e approcci ibridi
Il gruppo di ricerca diretto dalla Professoressa Jennifer Lewis ad Harvard ha sviluppato sistemi di bioprinting a multi-ugello che consentono la deposizione simultanea di diversi bioinchiostri con precisione micrometrica. Questi avanzamenti tecnologici permettono la creazione di strutture complesse che replicano l'architettura eterogenea dei tessuti nativi. Particolarmente interessante è l'integrazione della fibroina con altri biomateriali come collagene, alginato o idrogel sintetici in approcci di stampa ibridi che combinano le proprietà meccaniche superiori della seta con le caratteristiche biochimiche di altri materiali, ottimizzando così sia la stampabilità che la funzionalità biologica del costrutto finale.
Anche le applicazioni cliniche delle strutture stampate in 3D a base di fibroina stanno iniziando a emergere, sebbene la maggior parte rimanga ancora in fase di sperimentazione preclinica. Risultati particolarmente promettenti sono stati ottenuti nella rigenerazione della cartilagine articolare, dove scaffold di fibroina carichi di condrociti hanno dimostrato eccellente integrazione e rigenerazione tissutale in modelli suini. Nel campo della rigenerazione cutanea, costrutti stampati in 3D che incorporano cheratinociti e fibroblasti in matrici di fibroina hanno mostrato accelerazione significativa dei processi di guarigione in ferite croniche. Un'applicazione particolarmente innovativa è stata dimostrata dal consorzio europeo SILKENE, che ha sviluppato impianti corneali stampati in 3D utilizzando fibroina come materiale principale, che hanno mostrato risultati preliminari incoraggianti in termini di trasparenza ottica e biointegrazione in modelli ex vivo.
Standardizzazione e vascolarizzazione
Le problematiche tecniche che ancora persistono nell'utilizzo della seta per la bioprinting includono la standardizzazione dei processi di estrazione e purificazione della fibroina, la cui composizione può variare in base alla fonte e al metodo di lavorazione. Ricercatori dell'Università di Sheffield stanno sviluppando metodi basati su spettroscopia Raman per il controllo qualità in tempo reale delle proprietà molecolari della fibroina durante il processo di stampa, un approccio che potrebbe migliorare significativamente la riproducibilità dei costrutti stampati. Un'altra sfida significativa riguarda la vascolarizzazione dei tessuti stampati di dimensioni maggiori, una problematica comune a tutti gli approcci di bioprinting. Strategie innovative come l'incorporazione di fattori angiogenici rilasciati gradualmente dalla matrice di seta o la creazione di canali sacrificali che vengono successivamente popolati da cellule endoteliali stanno mostrando risultati promettenti per superare questa limitazione critica.
Il futuro della stampa 3D con proteine della seta appare sicuramente luminoso, con numerose direzioni di ricerca che promettono di espandere ulteriormente le potenzialità di questo approccio. Molto interessante è l'emergere della seta ricombinante, prodotta attraverso sistemi di espressione batterica o di colture cellulari di mammifero, che offre la possibilità di progettare proteine con sequenze aminoacidiche personalizzate per applicazioni specifiche. Questa tecnologia, sviluppata da aziende come Spiber e Bolt Threads, potrebbe superare le limitazioni della seta naturale in termini di variabilità e disponibilità. Inoltre, l'integrazione di tecnologie di intelligenza artificiale per ottimizzare i parametri di stampa e predire il comportamento biologico dei costrutti rappresenta un'area di ricerca in rapida evoluzione, con algoritmi che stanno iniziando a guidare la progettazione di scaffold personalizzati basati sui dati specifici del paziente.
