Development of an instrumented customizable total knee prosthesis for experimental tests.

Total knee arthroplasty (TKA) has revolutionized the life of millions of patients and it is the most efficient treatment in cases of osteoarthritis. The increase in life expectancy has lowered the average age of the patient, which requires a more enduring and performing prosthesis. To improve the design of implants and satisfying the patient's needs, a deep understanding of the knee Biomechanics is needed. To overcome the uncertainties of numerical models, recently instrumented knee prostheses are spreading. The aim of the thesis was to design and manifacture a new prototype of instrumented implant, able to measure kinetics and kinematics (in terms of medial and lateral forces and patellofemoral forces) of different interchangeable designs of prosthesis during experiments tests within a research laboratory, on robotic knee simulator. Unlike previous prototypes it was not aimed for industrial applications, but purely focusing on research. After a careful study of the literature, and a preliminary analytic study, the device was created modifying the structure of a commercial prosthesis and transforming it in a load cell. For monitoring the kinematics of the femoral component a three-layers, piezoelettric position sensor was manifactured using a Velostat foil. This sensor has responded well to pilot test. Once completed, such device can be used to validate existing numerical models of the knee and of TKA and create new ones, more accurate.It can lead to refinement of surgical techniques, to enhancement of prosthetic designs and, once validated, and if properly modified, it can be used also intraoperatively.

Development of a polyplexes-based miRNA delivery system in a 3D-bioplotted osteoarthritis cellular model.

L'osteoartrite (OA) è una patologia infiammatorio/degenerativa ossea per la quale non sono disponibili terapie causali efficaci ma solo approcci palliativi per la riduzione del dolore cronico. E’ quindi giustificato un investimento per individuare nuove strategie di trattamento. In quest’ottica, lo scopo di questa tesi è stato quello di indagare l’efficacia di polyplexi a base di chitosano o di PEI-g-PEG in un modello cellulare 3D in vitro basato su un hydrogel di Gellan Gum Metacrilato (GGMA) con a bordo condrociti in condizioni simulate di OA. Inizialmente sono state studiate la dimensione e il potenziale-Z di un pool di formulazioni di poliplexi. Quindi se ne è valutata la citocompatibilità utilizzando cellule staminali mesenchimali immortalizzate Y201. Infine, una miscela di GGMA, cellule e polyplexi è stata utilizzata per la stampa 3D di campioni che sono stati coltivati fino a 14 giorni. La condizione OA è stata simulata trattando le cellule con una miscela di citochine implicate nello sviluppo della malattia. Tutte le formulazioni a base di chitosano e due basate su PEI-g-PEG si sono dimostrate citocompatibili e sono hanno veicolato i miRNA nelle cellule (come mostrato dai risultati di analisi in fluorescenza). I risultati delle colorazioni H&E e AlcianBlue hanno confermato che il terreno condizionato ha ben ricreato le condizioni di OA. I polyplexi a base di chitosano e PEI-g-PEG hanno controbilanciato gli effetti delle citochine. Risultati incoraggianti, anche se da approfondire ulteriormente, provengono anche dall’analisi di espressione (RT-PCR) di cinque geni specifici della cartilagine. Concludendo, questo modello ha ben riprodotto le condizioni di OA in vitro; il chitosano ha mostrato di essere un adeguato veicolo per un trattamento a base di miRNA; il PEI-g-PEG si propone come un'alternativa più economica e ragionevolmente affidabile, sebbene il rischio di citotossicità alle concentrazioni più elevate richieda una più esteva validazione sperimentale.