Ingegnerizzazione di un bioinchiostro a base di chitosano per supportare la biostampa 3D e il differenziamento neuronale

Abstract

Le tecniche avanzate di biofabbricazione, in particolare la biostampa 3D, hanno ampliato le possibilità di realizzare costrutti biomimetici. Il successo di questi approcci dipende dallo sviluppo di bioinchiostri specifici per il tessuto di interesse, dotati di adeguate proprietà biologiche e di stampabilità. In questo studio è stato sviluppato un bioinchiostro a base di chitosano, valutando l’effetto dell’aggiunta di doxiciclina a due concentrazioni (0,2% e 0,5%) sulle proprietà chimico-fisiche e sulla stampabilità dell’idrogel. La doxiciclina è stata scelta per il suo potenziale nel promuovere il differenziamento neuronale. La sua incorporazione diretta nel bioinchiostro rappresenta un approccio innovativo che consente di semplificare i sistemi di rilascio, migliorare l’integrazione con scaffold 3D e favorire il differenziamento localizzato. Sono stati preparati tre bioinchiostri e sottoposti a prove di swelling su campioni liofilizzati per valutarne la capacità di ricostituzione in acqua. Mediante biostampa 3D, sono state realizzate griglie quadrate di differenti dimensioni e densità di riempimento per individuare i parametri di stampa ottimali. La qualità delle strutture ottenute è stata valutata tramite la fedeltà di forma post-stampa e il fattore di uniformità, determinati successivamente ad analisi microscopica e processamento delle immagini con ImageJ. I dati raccolti sono stati elaborati in Matlab e analizzati statisticamente. I risultati mostrano che l’aggiunta di doxiciclina non altera significativamente la cinetica di rigonfiamento dei campioni liofilizzati, sebbene la formulazione allo 0,5% evidenzi una lieve riduzione del grado di swelling. Inoltre, l’aumento della concentrazione di doxiciclina influenza la stampabilità del bioinchiostro: strutture di dimensioni ridotte e densità di riempimento superiore al 5% mostrano una progressiva contrazione dei filamenti durante la stampa, con conseguente riduzione della regolarità e dell’omogeneità strutturale.

Advanced biofabrication techniques, particularly 3D bioprinting, have expanded the possibilities for fabricating biomimetic constructs. The success of these approaches relies on the development of tissue-specific bioinks with suitable biological properties and printability. In this study, a chitosan-based bioink was developed to evaluate the effect of adding doxycycline at two different concentrations (0,2% and 0,5%) on the hydrogel's physicochemical properties and printability. Doxycycline was selected for its potential to promote neuronal differentiation. Its direct incorporation into the bioink represents an innovative approach that simplifies drug delivery systems, improves integration with 3D scaffolds, and promotes localized differentiation. Three bioink formulations were prepared and subjected to swelling tests on lyophilized samples to evaluate their rehydration capacity. Square grids with different dimensions and infill densities were fabricated by 3D bioprinting to identify the optimal printing parameters. The quality of the printed constructs was assessed through post-printing shape fidelity and the uniformity factor, determined following microscopic analysis and image processing using ImageJ. The collected data were processed in Matlab and statistically analyzed. The results showed that the addition of doxycycline did not significantly affect the swelling kinetics of the lyophilized bioink samples, although the 0,5% formulation exhibited a slight reduction in the swelling degree. Furthermore, increasing the doxycycline concentration affected the printability of the bioink: constructs with smaller dimensions and an infill density higher than 5% showed progressive filament contraction during printing, resulting in reduced structural regularity and homogeneity.