Cell-free cryopreserved arterial allografts from multiorgan donors: a new strategy to fabricate artificial blood vessels suited for peripheral vascular surgery

Critical lower limb ischemia is a severe disease. A common approach is infrainguinal bypass. Synthetic vascular prosthesis, are good conduits in high-flow low-resistance conditions but have difficulty in their performance as small diameter vessel grafts. A new approach is the use of native decellularized vascular tissues. Cell-free vessels are expected to have improved biocompatibility when compared to synthetic and are optimal natural 3D matrix templates for driving stem cell growth and tissue assembly in vivo. Decellularization of tissues represent a promising field for regenerative medicine, with the aim to develop a methodology to obtain small-diameter allografts to be used as a natural scaffold suited for in vivo cell growth and pseudo-tissue assembly, eliminating failure caused from immune response activation. Material and methods. Umbilical cord-derived mesenchymal cells isolated from human umbilical cord tissue were expanded in advanced DMEM. Immunofluorescence and molecular characterization revealed a stem cell profile. A non-enzymatic protocol, that associate hypotonic shock and low-concentration ionic detergent, was used to decellularize vessel segments. Cells were seeded cell-free scaffolds using a compound of fibrin and thrombin and incubated in DMEM, after 4 days of static culture they were placed for 2 weeks in a flow-bioreactor, mimicking the cardiovascular pulsatile flow. After dynamic culture, samples were processed for histological, biochemical and ultrastructural analysis. Discussion. Histology showed that the dynamic culture cells initiate to penetrate the extracellular matrix scaffold and to produce components of the ECM, as collagen fibres. Sirius Red staining showed layers of immature collagen type III and ultrastructural analysis revealed 30 nm thick collagen fibres, presumably corresponding to the immature collagen. These data confirm the ability of cord-derived cells to adhere and penetrate a natural decellularized tissue and to start to assembly into new tissue. This achievement makes natural 3D matrix templates prospectively valuable candidates for clinical bypass procedures

Effetti idrodinamici prodotti dal costume tecnico sul nuotatore

L’introduzione dei costumi tecnici nel nuoto ha portato miglioramenti senza precedenti sulla prestazione. I miglioramenti nella velocità di nuoto sono stati attribuiti dalla letteratura a riduzioni nelle resistenze idrodinamiche sul nuotatore. Tuttavia, gli effetti specifici dovuti all’utilizzo di questo tipo di costume non sono ancora completamente chiariti. Questa tesi aveva l’obiettivo di indagare gli effetti del costume tecnico sul galleggiamento statico, sulla posizione del corpo e sulla resistenza idrodinamica in avanzamento passivo. Nello studio preliminare sono stati misurati la spinta idrostatica, i volumi polmonari dinamici e la circonferenza toracica di 9 nuotatori che indossavano un costume tradizionale o un costume tecnico in gomma sintetica. Indossare il costume tecnico ha determinato una riduzione significativa del galleggiamento statico, e la compressione toracica causata da questo tipo di costume potrebbe avere una relazione con la significativa riduzione dei volumi polmonari misurati quando il nuotatore indossa questo tipo di costume. Un successiva analisi prevedeva il traino passivo di 14 nuotatori che mantenevano la miglior posizione idrodinamica di scivolamento indossando un costume tradizionale, tecnico in tessuto e tecnico in gomma. La posizione del corpo in avanzamento è stata misurata con un’analisi cinematica. La resistenza passiva indossando i costumi tecnici è risultata significativamente minore per entrambi i costumi tecnici rispetto alla prova con costume tradizionale. L’analisi condotta attraverso modelli di regressione lineari ha mostrato che una parte della riduzione della resistenza passiva era legata a proprietà intrinseche dei costumi tecnici. Tuttavia, anche l’area di impatto frontale determinata dall’inclinazione del tronco del soggetto in scivolamento e l’inclinazione degli arti inferiori hanno mostrato una marcata influenza sulla resistenza idrodinamica passiva. Pertanto, la riduzione di resistenza idrodinamica durante lo scivolamento passivo effettuato con costume tecnico da nuoto è attribuibile, oltre all’effetto del materiale di composizione del costume, ad una variazione della posizione del corpo del nuotatore.

Biodegradable systems for the development of functional materials

This PhD work was aimed to design, develop, and characterize gelatin-based scaffolds, for the repair of defects in the muscle-skeletal system. Gelatin is a biopolymer widely used for pharmaceutical and medical applications, thanks to its biodegradability and biocompatibility. It is obtained from collagen via thermal denaturation or chemical-physical degradation. Despite its high potential as biomaterial, gelatin exhibits poor mechanical properties and a low resistance in aqueous environment. Crosslinking treatment and enrichment with reinforcement materials are thus required for biomedical applications. In this work, gelatin based scaffolds were prepared following three different strategies: films were prepared through the solvent casting method, electrospinning technique was applied for the preparation of porous mats, and 3D porous scaffolds were prepared through freeze-drying. The results obtained on films put into evidence the influence of pH, crosslinking and reinforcement with montmorillonite (MMT), on the structure, stability and mechanical properties of gelatin and MMT/gelatin composites. The information acquired on the effect of crosslinking in different conditions was utilized to optimize the preparation procedure of electrospun and freeze-dried scaffolds. A successful method was developed to prepare gelatin nanofibrous scaffolds electrospun from acetic acid/water solution and stabilized with a non-toxic crosslinking agent, genipin, able to preserve their original morphology after exposure to water. Moreover, the co-electrospinning technique was used to prepare nanofibrous scaffolds at variable content of gelatin and polylactic acid. Preliminary in vitro tests indicated that the scaffolds are suitable for cartilage tissue engineering, and that their potential applications can be extended to cartilage-bone interface tissue engineering. Finally, 3D porous gelatin scaffolds, enriched with calcium phosphate, were prepared with the freeze-drying method. The results indicated that the crystallinity of the inorganic phase influences porosity, interconnectivity and mechanical properties. Preliminary in vitro tests show good osteoblast response in terms of proliferation and adhesion on all the scaffolds.

Personalization of Electronic Nicotine Delivery Systems Toxicological impact in in-vivo model

Electronic nicotine delivery systems (ENDS) use has recently grown. E-cig generates carcinogenic chemical compounds and reactive oxygen species (ROS). Carbonyls and ROS are formed when the liquid comes into contact with the heating element. In this study the chemical and biological effects of coil resistance applied on the same device were investigated. A preliminary in-vivo study the new heat-not-burn devices (IQOS®) has been conducted to evaluate the effect of the device on antioxidant biomarkers. The amount of formaldehyde, acetaldehyde, acrolein was measured by GC-MS analysis. The two e-liquids used for carbonyls detection differed only for the presence of nicotine. The nicotine-free liquid was then used for the detection of ROS in the aerosol. The impact of the non-nicotine vapor on cell viability in H1299 human lung carcinoma cells, as well as the biological effects in a rat model of e-cig aerosol exposure, were also evaluated. After the exposure of Sprague Dawley rats to e-cig and IQOS® aerosol, the effect of 28-day treatment was examined on enzymatic and non-enzymatic antioxidant response, lung inflammation, blood homeostasis and tissue damage by using scanning electron microscope (SEM) technique. The results show a significant correlation between the low resistance and the generation of higher concentrations of the selected carbonyls and ROS in aerosols. Cell viability was reduced with an inverse relation to coil resistance. The experimental model highlighted an impairment of the pulmonary antioxidant and detoxifying machinery. Frames from SEM show disorganization of alveolar and bronchial epithelium. IQOS® exposed animals shows a significant production of ROS related to the unbalance of antioxidant defense and alteration of macromolecule integrity. This research demonstrates how several toxicological aspects can potentially occur in e-cig consumers who use low resistance device coupled with nicotine-free liquid. ENDS may expose users to hazardous compounds, which, may promote chronic pathologies and degenerative diseases.

Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

Bioenergetics of cancer cells in anoxia and role of the miRNAs in melanoma resistance to targeted therapies

Tumours are characterized by a metabolic rewiring that helps transformed cells to survive in harsh conditions. The endogenous inhibitor of the ATP-synthase IF1 is overexpressed in several tumours and it has been proposed to drive metabolic adaptation. In ischemic normal-cells, IF1 acts limiting the ATP consumption by the reverse activity of the ATP-synthase, activated by ΔΨm collapse. Conversely, IF1 role in cancer cells is still unclear. It has been proposed that IF1 favours cancer survival by preventing energy dissipation in low oxygen availability, a frequent condition in solid tumours. Our previous data proved that in cancer cells hypoxia does not abolish ΔΨm, avoiding the ATP-synthase reversal and IF1 activation. In this study, we investigated the bioenergetics of cancer cells in conditions mimicking anoxia to evaluate the possible role of IF1. Data obtained indicate that also in cancer cells the ΔΨm collapse induces the ATP-synthase reversal and its inhibition by IF1. Moreover, we demonstrated that upon uncoupling conditions, IF1 favours cancer cells growth preserving ATP levels and energy charge. We also showed that in these conditions IF1 favours the mitochondrial mass renewal, a mechanism we proposed driving apoptosis-resistance. Cancer adaptability is also associated with the onset of therapy resistance, the major challenge for melanoma treatment. Recent studies demonstrated that miRNAs dysregulation drive melanoma progression and drug-resistance by regulating tumour-suppressor and oncogenes. In this context, we attempted to identify and characterize miRNAs driving resistance to vemurafenib in patient-derived metastatic melanoma cells BRAFV600E-mutated. Our results highlighted that several oncogenic pathways are altered in resistant cells, indicating the complexity of both drug-resistance phenomena and miRNAs action. Profiling analysis identified a group of dysregulated miRNAs conserved in vemurafenib-resistance cells from distinct patients, suggesting that they ubiquitously drive drug-resistance. Functional studies performed with a first miRNA confirmed its pivotal role in resistance towards vemurafenib.

Studio degli effetti di citochine a basso dosaggio (LOW DOSE) su cellule di origine animale (3T3-L1) ed umana (hASC)

Nella sindrome metabolica l’insulino-resistenza e l’obesità rappresentano i fattori chiave nello sviluppo di tale patologia, ma il principale player risulta un’infiammazione cronica di basso grado (Chronic Low Grade Inflammation) a carico del tessuto adiposo. Lo scopo di questo progetto di ricerca è quindi stato quello di testare citochine a basso dosaggio come possibile trattamento dell’infiammazione cronica. Le citochine utilizzate (GUNA®-Interleukin 4 (IL-4), GUNA®-Interleukin 10 (IL-10), GUNA®-Melatonin, GUNA®-Melatonin+GUNA®-IL-4.) sono state fornite dall’azienda GUNA S.p.a. Poiché l’infiammazione cronica a basso grado inizia in seguito ad un aumento eccessivo del tessuto adiposo, inizialmente si è valutato l’effetto su una linea di preadipociti murini (3T3-L1). Questa prima parte dello studio ha messo in evidenza come le citochine a basso dosaggio non modificano la vitalità cellulare, anche se agiscono sull’espressione e la localizzazione di vimentina e E-caderina. Inoltre IL-4 e IL-10 sembrano avere una parziale attività inibitoria, non significativa, sull’adipogenesi ad eccezione dell’espressione dell’adiponectina che appare significativamente aumentata. In ultimo i trattamenti con IL-4 e IL-10 hanno mostrato una diminuzione del contenuto di ROS e una ridotta attività antiinfiammatoria dovuta alla diminuzione di IL-6 secreto. Un’altra popolazione cellulare principale nel tessuto adiposo è rappresentata dalle ASC (Adipose Stem Cell). Per tale motivo si è proseguito valutando l’effetto che le citochine low-dose su questo citotipo, evidenziando che il trattamento con le citochine non risulta essere tossico, anche se sembrerebbe rallentare la crescita cellulare, e determina un’inibizione del processo adipogenico. Inoltre il trattamento con IL-10 sembra stimolare le ASC a produrre fattori che inducono una maggiore vasculogenesi e le induce a produrre fattori chemiotattici che determinano una maggiore capacità di rigenerazione tissutale da parte di MSC da derma. Infine, il trattamento con IL-4 e IL-10 stimola probabilmente una minore produzione di citochine pro-infiammatorie che inducono in maniera significativa una minore mobilità di cellule MSC.

Innovative electrospun nanofibers for improving delamination resistance and damping of CFRP laminates

Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) are well renowned for their excellent mechanical properties, superior strength-to-weight characteristics, low thermal expansion coefficient, and fatigue resistance over any conventional polymer or metal. Due to the high stiffness of carbon fibers and thermosetting matrix, CFRP laminates may display some drawbacks, limiting their use in specific applications. Indeed, the overall laminate stiffness may lead to structural problems arising from their laminar structure, which makes them susceptible to structural failure by delamination. Moreover, such stiffness given by the constituents makes them poor at damping vibration, making the component more sensitive to noise and leading, at times, to delamination triggering. Nanofibrous mat interleaving is a smart way to increase the interlaminar fracture toughness: the use of thermoplastic polymers, such as poly(ε- caprolactone) (PCL) and polyamides (Nylons), as nonwovens are common and well established. Here, in this PhD thesis, a new method for the production of rubber-rich nanofibrous mats is presented. The use of rubbery nanofibers blended with PCL, widely reported in the literature, was used as matrix tougheners, processing DCB test results by evaluating Acoustic Emissions (AE). Moreover, water-soluble electrospun polyethylene oxide (PEO) nanofibers were proposed as an innovative method for reinforcing layers and hindering delamination in epoxy-based CFRP laminates. A nano-modified CFRP was then aged in water for 1 month and its delamination behaviour compared with the ones of the commercial laminate. A comprehensive study on the use of nanofibers with high rubber content, blended with a crystalline counterpart, as enhancers of the interlaminar properties were then investigated. Finally, PEO, PCL, and Nylon 66 nanofibers, plain or reinforced with Graphene (G), were integrated into epoxy-matrix CFRP to evaluate the effect of polymers and polymers + G on the laminate mechanical properties.