Una recente ricerca guidata da Shumin Pang presso la Technische Universität di Berlino ha messo a punto una strategia innovativa per la produzione di scaffold ceramici osteomimetici ad alta fedeltà. Utilizzando una combinazione di stampa 3D rotazionale e tecnica di replica a spugna, i ricercatori hanno ottenuto strutture che replicano sia la componente trabecolare che corticale dell’osso umano, incluse le caratteristiche canalicolari come i canali di Havers. Oltre alla somiglianza morfologica, gli scaffold in Cu-DIO/BCP mostrano resistenze meccaniche compatibili con quelle del tessuto osseo naturale e ottime proprietà osteogeniche e angiogeniche, candidandosi come soluzione per difetti ossei complessi e piattaforme in vitro per la ricerca farmacologica.
Un nuovo standard per gli scaffold biomimetici
Il trattamento dei difetti ossei di grandi dimensioni – derivanti da traumi, neoplasie o patologie degenerative – rappresenta ancora una sfida clinica rilevante. Mentre l’ingegneria tissutale ha fatto progressi significativi negli ultimi decenni, la riproduzione fedele della complessa gerarchia strutturale dell’osso umano in materiali biocompatibili e funzionali resta un obiettivo ambizioso. La recente pubblicazione di Pang et al. sull’International Journal of Extreme Manufacturing propone un sistema avanzato che supera i limiti delle attuali tecnologie: scaffold ceramici basati su una combinazione di rame-diopside (Cu-DIO) e fosfato di calcio bifasico (BCP), stampati con un approccio rotazionale integrato alla tecnica di replica a spugna.
Dalla replica trabecolare alla stampa rotazionale corticale
La chiave dell’innovazione sta nell’accoppiamento tra due tecniche complementari: la struttura trabecolare viene ottenuta impregnando spugne in poliuretano con slurry ceramici e successivamente sinterizzate, mentre la parte corticale viene costruita sovrapponendo filamenti cavi (che simulano gli osteoni) tramite una stampante 3D rotazionale. I filamenti sono estrusi attraverso un ugello quadrato che incorpora un canale centrale – analogo al canale di Havers – e possono essere disposti secondo angolazioni diverse (0°, 15°, 30°, 45°) rispetto all’asse centrale, influenzando così le proprietà meccaniche finali dello scaffold.
Una ceramica ingegnerizzata per forza e bioattività
Il materiale scelto – una miscela al 60% di Cu-DIO e 40% di BCP – è stato selezionato per l’equilibrio tra resistenza meccanica e biocompatibilità. La diopside dopata con rame fornisce robustezza, effetto antibatterico e capacità angiogeniche, mentre il BCP favorisce la degradabilità e l’osteointegrazione. Gli scaffold risultanti mostrano una porosità complessiva del 55% (con un picco del 76% nella zona trabecolare), un’ottima capacità di trasporto fluidico e resistenze a compressione che, nelle configurazioni a 15° e 30°, raggiungono rispettivamente 150 e 125 MPa in direzione assiale – valori comparabili a quelli dell’osso corticale umano.
Validazione in vitro: osteogenesi e angiogenesi dimostrate
L’attività biologica degli scaffold è stata valutata tramite colture cellulari con cellule mesenchimali umane (hBMSCs) e cellule endoteliali (HUVECs), sia in monocultura che in co-coltura. Le prove XTT hanno mostrato una vitalità cellulare significativamente più alta nei campioni trattati con estratti degli scaffold, soprattutto in co-coltura. Le analisi SEM e di microscopia a fluorescenza hanno evidenziato un’adesione e proliferazione efficace in entrambe le porzioni dello scaffold. A livello molecolare, le espressioni geniche e proteiche di BMP2, RUNX2 e VE-caderina sono risultate aumentate, confermando l’effetto osteo- e angioinduttivo della matrice ceramica.
Anche la differenziazione osteoblastica è stata confermata mediante test di attività ALP e mineralizzazione con Alizarina Red, mentre la potenzialità angiogenica è stata dimostrata con saggi di formazione tubulare su Matrigel, dove le HUVECs hanno formato strutture ramificate più complesse e dense rispetto al controllo.
Un passo verso la medicina personalizzata
Un aspetto cruciale dello studio è l’adattabilità del processo a geometrie irregolari. Utilizzando modelli anatomici derivati da difetti ossei femorali, i ricercatori hanno prodotto scaffold personalizzati perfettamente adattati alle sedi lesionali, mantenendo la doppia architettura ossea e le caratteristiche canalicolari. Questo apre alla possibilità di integrare la tecnologia in flussi clinici di stampa personalizzata, basata su imaging paziente-specifico.
Implicazioni cliniche e prospettive future
La capacità di replicare fedelmente l’architettura ossea e di garantire al contempo forza meccanica, permeabilità, osteoconduzione e angiogenesi rende questi scaffold un candidato promettente per affrontare la rigenerazione di difetti ossei critici. Ma non solo: la fedeltà strutturale, unita alla riproducibilità del processo, li rende adatti alla costruzione di modelli in vitro per lo studio di patologie ossee e il testing farmacologico.
In prospettiva, lo sviluppo di scaffold multifunzionali personalizzabili rappresenta un tassello essenziale per la medicina rigenerativa e la chirurgia ortopedica di nuova generazione. L’integrazione con canalicoli accessori (come i canali di Volkmann), la validazione in vivo e l’accoppiamento con biomolecole osteoinduttive potrebbero ulteriormente amplificare il potenziale di questa tecnologia.
Lo studio
Shumin Pang, Dongwei Wu*, Dorian A H Hanaor, Astrid Haibel, Jens Kurreck and Aleksander Gurlo, Osteomimetic bioceramic scaffolds with high-fidelity human-bone features produced by rotational printing, IMMT
, , Published 6 February 2025 • © 202