Histochemical characterization of 3D bioprinted meniscus

La cartilagine ad oggi rappresenta ancora una sfida per la medicina rigenerativa a causa della sua scarsa capacità di rigenerarsi quando sottoposta a gravi lesioni tissutali. Inoltre, la sua struttura complessa e l'ambiente biologico che offre sono ancora difficili da riprodurre con precisione mediante l’utilizzo di strutture bioartificiali e biomimetiche. Sebbene gli interventi per riparare i danni al tessuto cartilagineo siano ancora prevalentemente di stampo chirurgico, si stanno aprendo nuove strade nel campo dell'ingegneria tissutale volte a ricreare una struttura simile a quella originaria, che possa indurre la rigenerazione o sostituire direttamente il tessuto danneggiato. Lo studio condotto e discusso in questo elaborato mira a soddisfare quest'ultimo intento, ponendo le basi per un'eventuale evoluzione sperimentale della stampa del menisco. La ricerca si è basata sulla biostampa 3D di campioni di menisco, di dimensioni pari a circa 1 cm2, realizzati mediante un bioinchiostro a base di alginato e nanocellulosa, al cui interno sono stati immersi sferoidi/microtessuti di condrociti con diversa concentrazione. La stampa dei campioni è avvenuta in tre diverse condizioni: i) solo bioinchiostro, ii) bioinchiostro contenente sferoidi da 5000 cellule, iii) bioinchiostro contenente sferoidi da 10000 cellule. Al termine della stampa sono stati analizzati i campioni per verificare la sopravvivenza delle cellule e investigare l'attitudine di queste di ricreare matrice extracellulare cartilaginea nelle condizioni ambientali in cui sono state introdotte. A questo proposito, sono state eseguite delle analisi istochimiche, quali la RT-PCR e l’analisi istologica. Inoltre, a partire dalle immagini al microscopio degli sferoidi a seguito della loro formazione e dalle sezioni istologiche, sono state analizzate le dimensioni dei campioni per confrontare l'eventuale variazione volumetrica di questi prima della stampa e a seguito del processo di estrusione.

Utilizzo dell'ipossia come stimolo per il differenziamento condrocitico di cellule staminali.

Date le sollecitazioni meccaniche alle quali è sottoposta, la cartilagine, soprattutto quella articolare, è facilmente danneggiabile e la mancanza di vascolarizzazione la rende un tessuto incapace di auto-rigenerarsi. Il fallimento della chirurgia tradizionale ha incentivato negli ultimi venti anni lo sviluppo di nuove tecniche di ingegneria tissutale che prevedono la rigenerazione del tessuto cartilagineo in vitro, e il suo successivo impianto nella zona lesionata. Generalmente si preferisce utilizzare cellule staminali mesenchimali adulte (MSCs), e il tessuto adiposo si è rivelata la fonte di estrazione più conveniente.Inoltre le ATSCs (Adipose Tissue Stem Cells) possono essere facilmente isolate dalla componente vasculo-stromale (SVF) del tessuto adiposo prelevata in seguito a un intervento di liposuzione: quindi, a differenza delle MSCs estratte da midollo osseo (BMSCs- Bone Marrow Stem Cells), la loro estrazione dal paziente richiede un intervento meno invasivo e meno rischioso. Il tessuto cartilagineo non è raggiunto dai vasi sanguigni, e la sua formazione nella fase embrionale avviene ad una concentrazione di O2 notevolmente inferiore a quella ambientale. Questo ha indotto gli studiosi a pensare che un ambiente ipossico possa non soltanto favorire il differenziamento condrogenico di cellule staminali in coltura, ma anche facilitare il mantenimento del fenotipo condrocitico, mimando l'ambiente fisiologico avascolare della cartilagine.Lo scopo di questa tesi è stato la messa a punto di un protocollo di coltura cellulare in condizioni di ipossia per indurre differenziamento condrogenico di ATSCs. La metodica standardizzata verrà impiegata in laboratorio per sviluppare la ricerca di base nello studio della rigenerazione della cartilagine.

Skin tissue engineering: medical problems and technological solutions.

In questo elaborato si affrontano problematiche cliniche legate ai traumi gravi della cute in cui è necessario intervenire chirurgicamente per ripristinare una situazione normale: si approfondisce lo studio della fisiologia del tessuto, la classificazione dei gradi delle ustioni della pelle, la guarigione delle ferite e la meccanica della cute. Il trapianto di tessuto autologo costituisce la soluzione più efficace e con minori complicazioni. Tuttavia il paziente potrebbe non presentare una superficie di cute disponibile sufficientemente estesa, per cui si ricorre ad altri metodi. In primo luogo, si effettuano degli allotrapianti di tessuto di donatore cadavere prelevati secondo le normative vigenti e conservati attraverso le varie tecniche, il cui sviluppo ha consentito una durata di conservazione maggiore; mentre la glicerolizzazione abbatte al 100% il rischio di trasmissione di patologie e lo sviluppo di microorganismi, la crioconservazione preserva la vitalità del tessuto. La chirurgia utilizzata per queste operazioni si avvale di tecnologie innovative come la Tecnologia a Pressione Negativa. Un'alternativa necessaria per sopperire all'ingente richiesta di tessuto di donatore sono i sostituti cutanei, che presentano un grande potenziale per il futuro. Per eliminare totalmente il rischio di rigetto sarebbe necessario personalizzare il costrutto utilizzando cellule autologhe, ma la ricerca è stata rallentata da minori investimenti da parte dell'industria biomedica, che si è maggiormente focalizzata sulla realizzazione di prodotti utilizzabili da un più ampio raggio di pazienti. Per queste ragioni, l'ingegneria tissutale della cute ha trovato più ampio campo di applicazione nel sistema dei test in vitro. A tale scopo sono stati creati dei protocolli certificati per testare la corrosività, la irritabilità e la vitalità del tessuto cutaneo, quali EpiDerm, EpiSkin e SkinEthic che si avvalgono dell'uso del metodo MMT e della spettrofotometria, che è diventata un supporto fondamentale per le scienze biologiche.

micro e nano sistemi per il rilascio controllato di farmaci

Il presente lavoro di Tesi ha voluto fornire una panoramica sui dispositivi a rilascio controllato presenti nella letteratura scientifica, e dei materiali, in particolare poliesteri alifatici, principalmente impiegati a tale scopo. Particolare attenzione è stata dedicata anche alle tipologie di somministrazione e alle patologie che attualmente possono essere curate con tali dispositivi al fine di effettuare un rilascio di principio attivo in maniera mirata, controllata, e ottimizzata in relazione alla specifica terapia, al fine di migliorare quanto più possibile la compliance del paziente. In ultima istanza, sono stati riportati alcuni casi studio, relativi a sistemi copolimerici e materiali ibridi realizzati dal gruppo di ricerca della Prof.ssa Lotti, relatrice del presente elaborato, che da anni studia e realizza materiali polimerici innovativi per applicazioni biomedicali, quali ingegneria tissutale e rilascio controllato di farmaci.

Effetto della porosità sulle proprietà meccaniche e osteoinduttive di biomateriali utili per l’ingegneria del tessuto osseo

L'elaborato tratta dell'effetto della porosità sulle proprietà meccaniche e osteoinduttive di un biomateriale utilizzabile in ingegneria del tessuto osseo, per come questo è stato valutato nello studio "Surface porous poly-ether-ether-ketone based on three-dimensional printing for load-bearing orthopedic implant" condotto dai ricercatori Shuai Li, Tianyu Wang, Jiqiang Hu, Zhibin Li, Bing Wang, Lianchao Wang e Zhengong Zhou. In particolare, il biomateriale studiato è rappresentato dal “PEEK”, un polimero termoplastico che viene lavorato, tramite stampante 3D a filamento, in modo da presentare una struttura che include un corpo centrale solido ricoperto da strati porosi sia nello strato superiore sia in quello inferiore. Per la valutazione delle proprietà meccaniche sono state svolte una prova a trazione e una prova a flessione. I valori ottenuti sperimentalmente sono stati confrontati con quelli ottenuti da un’analisi numerica e da un modello teorico. Per la valutazione delle proprietà osteoinduttive sono stati condotti test di proliferazione cellulare e differenziamento osteogenico. I risultati ottenuti concludono che specifici valori della porosità superficiale del biomateriale presentano proprietà meccaniche e osteoinduttive che lo rendono idoneo all’utilizzo come impianto osteogenico in ingegneria tissutale.

Design di nuovi poliesteri a base di polibutilene succinato per la preparazione di scaffold per l’ingegneria tissutale del miocardio: struttura chimica e architettura molecolare come tool efficienti per modulare le proprietà chimico-fisiche

L’ingegneria dei tessuti molli, quali il miocardio, sta sempre più emergendo come approccio alternativo alle terapie tradizionali. In questo ambito, i poliesteri costituiscono una classe di polimeri promettente, poiché le variegate strutture chimiche che li caratterizzano permettono di soddisfare un’ampia gamma di esigenze. Negli ultimi anni, l’attenzione della ricerca si è incentrata sul poli(butilene succinato)(PBS). Il PBS, tuttavia, possiede proprietà meccaniche non ottimali per l’ingegneria dei tessuti molli; inoltre i tempi di degradazione sono lunghi; ciò è dovuto al grado di cristallinità e all’idrofobicità, entrambi elevati. Nell’ottica di migliorare le proprietà non soddisfacenti di tale omopolimero, sono stati sintetizzati e caratterizzati nuovi copoliesteri alifatici a base di PBS biocompatibili e biodegradabili. In particolare, sono stati realizzati un copolimero a blocchi e uno statistico a base di Pripol 1009, un diacido commerciale (Croda), e un copolimero a blocchi a base di neopentil glicole, valutando sia l’effetto del tipo di comonomero introdotto nel PBS (Pripol 1009 vs. neopentil glicole) che quello dell’architettura molecolare (copolimero statistico vs. copolimero multiblocco). I materiali sintetizzati sono stati processati in forma di film attraverso pressofusione e di scaffold tramite elettrofilatura. Oltre alla caratterizzazione molecolare, film e scaffold sono stati sottoposti anche ad analisi termica, diffrattometrica, meccanica e a studi di degradazione idrolitica in condizioni fisiologiche. I risultati ottenuti hanno evidenziato la possibilità di modulare sia le proprietà meccaniche che la velocità di degradazione in condizioni fisiologiche. Tutti i copolimeri, infatti, presentano caratteristiche di elastomeri termoplastici e dei profili di degradazione variabili rispetto all’omopolimero, che li rendono adatti per applicazioni nel campo dell’ingegneria dei tessuti molli.

Scaffold decellularizzati per la terapia sostitutiva renale

Nell’area dell’ingegneria tissutale si sta affermando una nuova tecnica che consiste nell’utilizzo di scaffold per la rigenerazione dell’apparato renale. Nella presente tesi, dopo un’introduzione fatta sulle terapie per la sostituzione renale, sono state analizzate le tecniche, le caratteristiche e presentati i risultati finora raggiunti nella decellularizzazione e ricellularizzazione di scaffold renali.

Nuovo copoliestere alifatico del PBS da fonte rinnovabile biocompatibile e bioriassorbibile per impiego nell’ Ingegneria dei tessuti molli

L’enorme progresso nel campo della biologia cellulare ha consentito lo sviluppo di tecnologie per la ricostruzione in vitro di tessuti, definendo una nuova branca di scienze biomediche: l’ingegneria dei tessuti. Tra le sue numerose applicazioni, la riparazione del tessuto cardiaco infartuato rappresenta un’importante obiettivo. Tra i polimeri sintetici sperimentati per questa applicazione, il poli(butilene succinato) (PBS) rappresenta un ottimo candidato. Nonostante i promettenti risultati già ottenuti dal punto di vista di biodegradabilità e biocompatibilità, il PBS presenta proprietà meccaniche poco adatte a questo impiego: l’applicazione miocardica richiede particolari caratteristiche di modulo di Young (E) e un ritorno elastico comparabile a quello del miocardio. Al fine di conferire al PBS proprietà meccaniche funzionali all’MTE (Miocardial Tissue Engineering), in questa Tesi è stato sintetizzato e caratterizzato un nuovo copolimero statistico a base di PBS contenente subunità Pripol 1009, un diacido prodotto dalla Croda, biobased e biodegradabile. Sono stati preparati film attraverso pressofusione e scaffold tramite elettrofilatura. Oltre alla caratterizzazione molecolare, volta a determinare il peso molecolare, la struttura e la composizione, film e scaffold sono stati sottoposti anche ad analisi termica, diffrattometrica, meccanica e a studi di degradazione idrolitica in condizioni fisiologiche. I risultati ottenuti hanno evidenziato che l’inserimento di segmenti Pripol all’interno della catena polimerica ha portato, oltre che a un incremento della stabilità termo-ossidativa, anche a un importante miglioramento delle proprietà meccaniche: il materiale sintetizzato, sia sotto forma di film che di scaffold, possiede le caratteristiche di elastomero termoplastico che lo rendono adatto ad applicazioni nell’ingegneria tissutale. Da ultimo, rispetto al PBS, il copolimero statistico mostra una maggiore velocità di degradazione in condizioni fisiologiche.

Stato dell'arte di scaffold ottenuti mediante tecnologie additive ed elettrofilatura per la rigenerazione del tessuto muscolo-scheletrico

Il sistema muscolo scheletrico è costituito dall’insieme di ossa, cartilagini e tessuti molli come muscoli, tendini e legamenti, che presentano una diversa struttura e differenti proprietà meccaniche tra loro. La sua principale funzione è quella di fornire supporto, forma e garantire il movimento fisiologico del corpo. Per questa ragione, il sistema muscolo scheletrico e continuamente sollecitato e di conseguenza molto soggetto a traumi o infortuni. Un’alternativa all’approccio chirurgico tradizionale è l’ingegneria tissutale che permette di creare scaffold in grado di promuovere la rigenerazione dei tessuti naturali. Negli ultimi decenni si è riscontrato un forte incremento dell’utilizzo della stampa 3D e dell’elettrofilatura come tecniche di fabbricazione di questi scaffold grazie ai loro diversi vantaggi. La stampa 3D presenta diversi benefici, tra cui la possibilità di creare costrutti personalizzati in grado di riprodurre similmente la geometria del tessuto nativo con efficienza dei costi e tempi di produzione ridotti rispetto alle tecniche tradizionali. Tuttavia, questa tecnica presenta ancora una limitata risoluzione sufficiente, ad esempio, per riprodurre la struttura e le proprietà del tessuto osseo, ma non idonea al raggiungimento della scala nanometrica, tipica dei tessuti fibrosi muscolo scheletrici. Al contrario, l’elettrofilatura è in grado di produrre fibre nanometriche che riescono a mimare la matrice extracellulare di questi tessuti. Tuttavia, si riscontrano ancora alcune difficoltà nel controllare la struttura tridimensionale e le proprietà meccaniche di questi scaffold nella scala micro e macrometrica. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare gli studi che utilizzano un approccio combinato tra stampa 3D ed elettrofilatura per la produzione di scaffold per la rigenerazione del tessuto muscolo scheletrico, definendo lo stato dell’arte dei vari processi di produzione e le possibili prospettive future.

Analisi dello stato dell'arte sull'utilizzo di stimolazione dinamica con bioreattori su scaffold elettrofilati per la rigenerazione di tendini e legamenti

Ogni anno milioni di persone, tra anziani e giovani, subiscono lesioni al tessuto tendineo/legamentoso. L’ingegneria tissutale sta cercando metodi alternativi per migliorare e velocizzare la loro guarigione. Negli ultimi vent’anni nel campo dell’ingegneria tissutale la tecnica dell’elettrofilatura si è rivelata particolarmente utile nella produzione di scaffold composti da nanofibre polimeriche in grado di mimare le fibrille di collagene che compongono la matrice extracellulare di questi tessuti. Parallelamente, al fine di incrementare la proliferazione e la differenziazione cellulare sugli scaffold, l’utilizzo di bioreattori per colture dinamiche ha acquisito sempre maggiore importanza. Esistono molti tipi di bioreattore, il più comune è quello meccanico, il quale ha la capacità di imprimere deformazioni meccaniche allo scaffold, permettendo alle cellule coltivate al suo interno di orientarsi in maniera più efficiente lungo la direzione del carico applicato. Il seguente elaborato vuole mostrare come l’uso di colture dinamiche effettuate in scaffold elettrofilati attraverso dei bioreattori, può migliorare notevolmente la rigenerazione dei tessuti interessati. Dopo una puntuale descrizione delle proprietà e caratteristiche dei tendini, dei legamenti, delle varie tipologie di scaffold e dei bioreattori, la tesi si sofferma sull’analisi dello stato dell’arte dei lavori scientifici che hanno utilizzato stimolazione dinamica in bioreattore su scaffold elettrofilati per tendini e legamenti. Da queste si è osservato come l’uso di sistemi dinamici possa aumentare notevolmente la produzione di matrice extracellulare, le proprietà meccaniche dei costrutti, la proliferazione, la crescita e l’orientamento delle cellule, velocizzando e migliorando i processi di guarigione rispetto ad una coltura statica.

La fibroina della seta come biomateriale per la medicina neurorigenerativa

Una delle grandi sfide della medicina moderna e dell’ingegneria biomedica è rappresentata dalla rigenerazione e il recupero dei tessuti nervosi. I danni al Sistema Nervoso Centrale (SNC) e Periferico (SNP) provocano effetti irreversibili e influiscono sulla qualità della vita dei pazienti. L’ingegneria tissutale è stata definita come “un campo interdisciplinare che applica i principi dell’ingegneria e delle scienze della vita per lo sviluppo di sostituti biologici che ripristinino, mantengano, o migliorino la funzione di un tessuto o di un intero organo” (Langer R et al, 1993). Lo sviluppo dei biomateriali, i progressi scientifici nel campo delle cellule staminali e dei fattori di crescita, nonché le migliorie nelle tecniche di differenziazione e del rilascio dei farmaci offrono nuove opportunità di sviluppo terapeutico. Sono stati infatti creati tessuti in laboratorio attraverso la combinazione di matrici extracellulari ingegnerizzate, comunemente definite scaffold, cellule e molecole biologicamente attive. Tali “impalcature”, forniscono un supporto fisico e biochimico alla crescita delle cellule nervose. In quest’ottica si configura come essenziale il contributo della seta e di una sua particolare molecola: la fibroina. Quest’ultima grazie alle specifiche caratteristiche di biocompatibilità, lenta degradabilità e alle notevoli proprietà meccaniche, è stata ampiamente studiata, in anni recenti, per nuove applicazioni in ambito biomedico, come nel caso dell’ingegneria dei tessuti e del rilascio di farmaci. La fibroina della seta utilizzabile in vari formati quali film, fibre, reti, maglie, membrane, gel e spugne supporta l'adesione, la proliferazione e la differenziazione in vitro di diversi tipi di cellule. In particolare studi recenti indicano che la seta ha una buona compatibilità per la crescita di cellule neuronali dell'ippocampo. In questo elaborato saranno presentate le caratteristiche della fibroina della seta come biomateriale, con particolare riferimento all’ingegnerizzazione e al processo di fabbricazione degli scaffold finalizzati al supporto della rigenerazione cellulare – neuronale in caso di insulti traumatici, acuti e/o cronici del Sistema Nervoso.

Sviluppo e caratterizzazione di scaffold elettrofilati per la ricostruzione del tessuto tendineo.

Gli obbiettivi di questo lavoro di tesi risultano i seguenti: 1) Progettare e caratterizzare una tipologia di bundle bioriassorbibile attraverso la tecnica dell’elettrofilatura, composto da una miscela di acido poli-(L)lattico (PLLA) e collagene, che cerchi di mimare le proprietà meccaniche dei fascicoli di collagene tendineo umano ed equino; 2) Individuare una metodologia di assemblaggio multiscala dei bundle che permetta la creazione di uno scaffold in grado di mimare la struttura gerarchica di un tendine completo; 3) Applicare la filosofia traslazionale alla progettazione dello scaffold al fine di poter applicare tale tecnologia sia nell’ambito della medicina umana che in quella veterinaria, lavorando nel senso della medicina unica.

Fabbricazione mediante elettrofilatura di scaffold compositi per il trattamento di difetti ossei

Nel mio elaborato di tesi dal titolo “Fabbricazione mediante elettrofilatura di scaffold compositi per il trattamento di difetti ossei” tratto la fisiologia del tessuto osseo, le cellule che lo compongono, i danni che esso può subire e il processo di riparazione spontaneo che si attua in caso di lesioni. Analizzo quindi differenti tipologie di frattura e le terapie chirurgiche e non-chirurgiche attualmente disponibili, con un occhio di riguardo nei confronti dell’ingegneria dei tessuti - che intende riparare il tessuto danneggiato mediante l’impianto di costrutti bioibridi costituiti da cellule a bordo di scaffold realizzati con biomateriali adeguati. In quest’ottica presento quindi un lavoro di ricerca pubblicato recentemente da Yuwono et al., nel quale viene presentato uno scaffold composito elettrofilato, caratterizzato da nanofibre polimeriche e caricato con particelle di idrossiapatite, che viene proposto come un eccellente candidato all’utilizzo in terapia.

Riparazione in vivo della conduzione elettrica nel tessuto specifico miocardico: stato dell'arte e prospettive future

Ogni anno si registrano aumenti nel numero di persone colpite da malattie cardiovascolari e, in particolare, dall’infarto del miocardio. L’insorgenza di questa patologia è accompagnata dalla perdita della componente cellulare che costituisce il tessuto cardiaco e dalla formazione di una cicatrice che, avendo limitate proprietà conduttive, ostacola il normale funzionamento del cuore. Le attuali terapie permettono la cura del solo tessuto danneggiato, ma non della conduzione elettrica. Pertanto, l’ingegneria tissutale si pone l’obiettivo di ristabilire questo collegamento elettrico attraverso l’utilizzo di scaffold realizzati a partire da specifici biomateriali. In questo elaborato si vuole porre l’attenzione sulla fabbricazione di cerotti cardiaci conduttivi a base di polianilina (PANI), mettendone in evidenza le criticità e i buoni risultati raggiunti dai test in laboratorio.