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• biostampa in situ
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• difetti osteocondrali
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• ingegneria tissutale
• multimaterial extrusion
• optical crosslinking
• osteochondral defects
• reticolazione ottica
• riparazione della cartilagine
• tissue engineering

I difetti osteocondrali rappresentano una sfida terapeutica significativa a causa della limitata capacità rigenerativa della cartilagine articolare e della sua architettura altamente specializzata, che comprende un’organizzazione zonale di tipo compositivo, meccanico e cellulare difficile da replicare. L’osteoartrite post-traumatica (PTOA), uno degli esiti più comuni delle lesioni articolari, colpisce milioni di persone nel mondo e la sua incidenza è destinata ad aumentare a causa dell’invecchiamento della popolazione e dei fattori di rischio legati allo stile di vita. I trattamenti convenzionali, come microfrattura, innesto osteocondrale e impianto autologo di condrociti (ACI), risultano invasivi, spesso richiedono più fasi chirurgiche o non riescono a ripristinare le complesse caratteristiche biomeccaniche e biochimiche del tessuto nativo. In questo contesto, la biostampa in situ è emersa come un’alternativa promettente, consentendo la deposizione stratificata di biomateriali e cellule direttamente nel sito del difetto durante l’intervento chirurgico.
Questo studio presenta la progettazione, lo sviluppo e la validazione preliminare di una nuova testina multimodale per la biostampa in situ minimamente invasiva di difetti osteocondrali. Il dispositivo proposto integra un sistema di estrusione motorizzato e un modulo di fotopolimerizzazione basato su fibra ottica. A differenza dei sistemi di biostampa ex vivo convenzionali, questo setup è progettato per effettuare deposizione e reticolazione dei materiali in tempo reale direttamente nello spazio articolare, con il potenziale di ridurre i tempi chirurgici e migliorare l’integrazione tissutale. Serbatoi esterni contenenti gli idrogel precursori li convogliano al modulo di estrusione tramite tubi in silicone, per i quali sono stati valutati portate e sforzi di taglio alle pareti a lunghezze variabili.
Il comportamento reologico degli idrogel a base di GelMA, alle concentrazioni del 5% e 10% (p/v), è stato caratterizzato sistematicamente a 20 °C, 25 °C e 37 °C. Le curve di flusso e i test di sweep in ampiezza hanno evidenziato le proprietà shear-thinning e i moduli viscoelastici (G' e G''), definendo le finestre operative adatte a un’estrusione stabile. Il sistema di attuazione motorizzata, basato su motore passo-passo, ha dimostrato un controllo volumetrico superiore rispetto alle alternative pneumatiche, le quali tuttavia hanno mostrato una migliore gestione della retrazione. Entrambi i sistemi sono stati testati in semplici stampi in PDMS e in geometrie anatomicamente complesse ricavate da articolazioni bovine.
Il modulo di fotopolimerizzazione è stato calibrato tramite test rapidi in cuvetta su GelMA 5% e 10%, stabilendo una correlazione lineare tra intensità luminosa e potenza in ingresso, e garantendo un reticolamento efficace a profondità target per ottenere la risoluzione desiderata. Un supporto stampato in 3D è stato progettato per mantenere l’allineamento ottico stabile durante le fasi di articolazione della fibra.
Le prime prove di estrusione in stampi sintetici in PDMS hanno confermato la capacità del sistema di generare depositi di idrogel spazialmente confinati. Per valutare la fattibilità della multi-estrusione sequenziale, sono stati depositati due materiali distinti in successione, consentendo la fabbricazione di costrutti bilayer. L’orientamento delle fibre e il diametro dei filamenti sono stati quantificati tramite strumenti di analisi dell’anisotropia in Fiji, incluso il plugin OrientationJ, in diverse condizioni di stabilizzazione: con un supporto stampato in 3D, in modalità manuale e con un sistema a fulcro progettato per simulare i vincoli artroscopici.
Test successivi su femori bovini ex vivo hanno dimostrato un efficace ancoraggio dell’idrogel all’interno dei difetti osteocondrali. Per aumentare la rilevanza biologica del modello, sono stati sviluppati stampi anatomici e analoghi cartilaginei artificiali a base di Ecoflex, capaci di replicare la curvatura specifica delle articolazioni e i vincoli meccanici, mediante software di mesh-editing come MeshLab e Meshmixer.
È stata inoltre sviluppata un’interfaccia grafica personalizzata per consentire un controllo accurato dei parametri di estrusione, tra cui portata e durata. Gli studi di vitalità post-estrusione sono stati condotti utilizzando condrociti derivati da ginocchio bovino incapsulati in GelMA 5% e 10% con 2% p/v di LAP, con valutazione quantitativa della vitalità mediante saggi Live/Dead. La caratterizzazione meccanica dei costrutti stampati in compressione e permeabilità è stata eseguita per valutarne il potenziale di ripristino della funzionalità di carico e di facilitazione degli scambi di fluidi nell’articolazione.
In conclusione, questa piattaforma rappresenta un progresso significativo verso la traduzione clinica delle tecnologie di biostampa minimamente invasiva. Combinando deposizione in tempo reale, fotopolimerizzazione e integrazione ergonomica nei flussi di lavoro artroscopici, essa pone le basi per terapie rigenerative personalizzate. Gli sviluppi futuri si concentreranno sul miglioramento della risoluzione, dell’automazione e delle performance biologiche, includendo anche la possibile separazione modulare degli strumenti di estrusione e fotopolimerizzazione.

Osteochondral defects pose a significant therapeutic challenge due to the limited regenerative capacity of articular cartilage and its highly specialized architecture, which includes a zonal compositional, mechanical and cellular organization that is difficult to replicate. Posttraumatic osteoarthritis (PTOA), one of the most prevalent outcomes of joint injuries, affects millions of people worldwide, and its incidence is projected to increase due to aging populations and lifestyle-related risk factors. Conventional treatments such as microfracture, osteochondral grafting, and autologous chondrocyte implantation (ACI) are invasive, often require multiple surgical stages, or do not restore the complex biomechanical and biochemical characteristics of native tissue. In this context, in situ bioprinting has emerged as a promising alternative, enabling layer-by-layer deposition of biomaterials and cells directly at the defect site during surgery. This study presents the design, development and preliminary validation of a new multimodal toolhead for minimally invasive \textit{in situ} bioprinting of osteochondral defects. The proposed device integrates a motorized extrusion system and a fiber-optic-based photopolymerization module. Unlike conventional ex vivo bioprinting setups, the system is engineered to perform real-time material deposition and cross-linking directly within the joint space, potentially reducing surgical time and improving tissue integration. External syringe reservoirs deliver hydrogel precursors to the extrusion module via silicone tubing, for which flow rates and wall shear stresses were assessed at varying lengths. The rheological behavior of GelMA hydrogels at concentrations of 5% and 10% was systematically characterized at 20°C, 25°C and 37°C. Flow curves and amplitude sweep tests provided insights into shear-thinning properties and viscoelastic moduli (G' and G''), defining suitable processing windows for stable extrusion. The motorized actuation system, driven by a stepper motor, demonstrated enhanced volumetric control compared to pneumatic alternatives, which, in turn, exhibited superior retraction control. Both systems were tested in simple polydimethylsiloxane (PDMS) molds and in anatomically complex geometries derived from bovine joints. The photopolymerization module was calibrated using rapid cuvette-based assays on GelMA 5% and GelMA 10%, establishing a linear correlation between light intensity and input power and ensuring effective cross-linking at target depths to achieve optimal resolution. A custom-designed 3D-printed support ensured stable optical alignment during fiber articulation. Initial extrusion trials in synthetic PDMS molds confirmed the system’s capability to generate spatially confined hydrogel deposits. To evaluate the feasibility of sequential multiextrusion, two distinct materials were deposited in succession, enabling the fabrication of bilayered constructs. Fiber orientation and filament diameter were quantitatively assessed using anisotropy analysis tools in Fiji, including the OrientationJ plugin, under various stabilization conditions: with a 3D-printed holder, handheld operation, and a fulcrum-based setup designed to mimic arthroscopic constraints. Subsequent tests on ex vivo bovine femurs demonstrated effective hydrogel anchoring within osteochondral defects. To enhance the biological relevance of the model, anatomical molds and Ecoflex-based artificial cartilage analogues were developed, replicating joint-specific curvature and mechanical constraints using mesh-editing software such as MeshLab and Meshmixer. A custom graphical user interface was developed to allow fine control over extrusion parameters, including flow rate and duration. Post-extrusion viability studies were conducted using bovine knee-derived chondrocytes embedded in 5% and 10% GelMA with 2% w/v LAP, with quantitative viability assessed via Live/Dead assays. Mechanical characterization of printed constructs under compression and permeability conditions was also performed to evaluate their potential to restore load-bearing functionality and facilitate fluid exchange within the joint. In conclusion, this platform represents a significant advancement toward the clinical translation of minimally invasive bioprinting technologies. By combining real-time deposition, photopolymerization, and ergonomic integration into arthroscopic workflows, it lays the foundation for patient-specific, regenerative therapies. Future developments will focus on improving resolution, automation, and biological performance, including the potential modular separation of extrusion and photopolymerization tools.