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Aug 07, 2023

Scaffold elettricamente conduttivi che imitano la struttura gerarchica delle miofibre cardiache

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2863 (2023) Citare questo articolo

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Scaffold elettricamente conduttivi, che imitano l’allineamento direzionale unico delle fibre muscolari nel miocardio, sono fabbricati utilizzando la tecnica di microstereolitografia della stampa 3D. Polietilene glicole diacrilato (polimero fotosensibile), Irgacure 819 (fotoiniziatore), curcumina (colorante) e polianilina (polimero conduttivo) vengono miscelati per produrre l'inchiostro conduttivo che viene reticolato utilizzando la reazione di fotopolimerizzazione dei radicali liberi. La curcumina agisce come un filtro liquido e impedisce alla luce di penetrare in profondità nella soluzione fotosensibile e svolge un ruolo centrale nel processo di stampa 3D. Gli scaffold ottenuti dimostrano una morfologia ben definita con una dimensione media dei pori di 300 ± 15 μm e proprietà semiconduttrici con una conduttività di ~ 10–6 S/m. Analisi di voltammetria ciclica rilevano l'elettroattività ed evidenziano come il trasferimento di elettroni comporti anche una diffusione ionica tra il polimero e la soluzione elettrolitica. Gli scaffold raggiungono la loro massima estensione di rigonfiamento 30 minuti dopo l'immersione nel PBS a 37 °C e dopo 4 settimane dimostrano un lento tasso di degradazione idrolitica tipico della rete di polietilenglicole. Gli scaffold conduttivi mostrano una conduttività regolabile e forniscono un ambiente ottimale per le cellule progenitrici cardiache del topo in coltura.

I tessuti biologici sono solitamente classificati in base ai tipi cellulari incorporati nella loro struttura, all'espressione di diverse molecole che contribuiscono al loro meccanismo e alle famiglie di fattori secreti nelle varie fasi della loro differenziazione. Sono però attraversati anche da deboli correnti elettriche cruciali per la comunicazione e il funzionamento intercellulare1. Nel miocardio e nei nervi, queste correnti basali sono sovrapposte da onde elettriche cicliche autogenerate in grado di generare segnali e forze meccaniche che, attraverso le cellule adiacenti, viaggiano verso le regioni più periferiche del corpo. In questo contesto, la funzione del tessuto miocardico è modulata dalle proprietà meccaniche uniche e dalla struttura anisotropa del tessuto cardiaco in cui l'ampia rete tridimensionale della matrice extracellulare (ECM) orienta i cardiomiociti, li accoppia meccanicamente garantendo la loro connettività elettrica e Fornisce supporto elastico durante la contrazione ventricolare. L’orientamento delle fibre miocardiche varia a livello transmurale lungo tutta la parete ventricolare. Queste fibre corrono nella direzione dell'elica destrorsa nella regione sub-endocardica, passano circonferenzialmente attraverso la parete mediana e girano nella direzione dell'elica sinistrorsa nella regione sub-epicardica, contribuendo in modo significativo al pompaggio cardiaco2,3. Eventi traumatici e malattie degenerative, tra gli altri, spesso portano a danni irreparabili a questa mirabile bioarchitettura a causa della scarsa capacità di rigenerazione innata del cuore4. Le aree danneggiate vengono sostituite con tessuto cicatriziale ricco di collagene che deforma la geometria ventricolare e ostacola il flusso regolare dei segnali elettrici, portando a lungo termine ad aritmie e insufficienza cardiaca5.

Negli ultimi decenni, i progressi nelle scienze biologiche, nell’ingegneria, nella scienza dei materiali e nelle tecniche avanzate di micro/nanoproduzione hanno suggerito la possibilità di riparare le regioni ventricolari danneggiate fabbricando e impiantando strisce di miocardio sano. A tal fine, è stato impiegato un approccio multidisciplinare (ingegneria tissutale) per soddisfare la complessità della bioarchitettura e della funzione del tessuto miocardico. In un tipico esperimento di ingegneria tissutale, le cellule staminali vengono seminate in un'impalcatura polimerica biocompatibile che emula vagamente l'ECM del tessuto. Lo scaffold è solitamente composto da biomateriale naturale o sintetico o da una combinazione di entrambi (scaffold) e utilizzando questo approccio diversi tessuti artificiali simili a cuori sono stati ingegnerizzati e impiantati in vivo6,7,8,9,10,11. Tuttavia, nonostante gli straordinari sforzi compiuti a livello mondiale, i risultati non sono ancora stati adeguati per prevederne l’uso clinico12,13. La causa di questo fallimento, tra le altre, può essere ricercata principalmente negli scaffold che non imitano adeguatamente la bioarchitettura dei tessuti14. Inizialmente, gli scaffold erano semplicemente intesi come supporto meccanico per la crescita e la proliferazione delle cellule in coltura. Successivamente, è stato rivelato che la differenziazione cellulare può essere migliorata tramite specifiche proprietà fisiche, chimiche, meccaniche e biologiche dell'impalcatura in attesa che le cellule secernano la propria ECM.