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.

Sea organisms as a source of collagen-derived polymers for skin tissue engineering applications

Advanced therapies combating acute and chronic skin wounds are likely to be brought about using our knowledge of regenerative medicine coupled with appropriately tissue engineered skin substitutes. At the present time, there are no models of an artificial skin that completely replicate normal uninjured skin and they are usually accompanied by fibrotic reactions that result in the production of a scar. Natural biopolymers such as collagen have been a lot investigated as potential source of biomaterial for skin replacement in Tissue Engineering. Collagens are the most abundant high molecular weight proteins in both invertebrate and vertebrate organisms, including mammals, and possess mainly a structural role in connective tissues. From this, they have been elected as one of the key biological materials in tissue regeneration approaches, as skin tissue engineering. In addition, industry is constantly searching for new natural sources of collagen and upgraded methodologies for their production. The most common sources are skin and bone from bovine and porcine origin. However, these last carry high risk of bovine spongiform encephalopathy or transmissible spongiform encephalopathy and immunogenic responses. On the other hand, the increase of jellyfish has led us to consider this marine organism as potential collagen source for tissue engineering applications. In the present study, novel form of acid and pepsin soluble collagen were extracted from dried Rhopilema hispidum jellyfish species in an effort to obtain an alternative and safer collagen. We studied different methods of collagen purification (tissues and experimental procedures). The best collagen yield was obtained using pepsin extraction method (34.16 mg collagen/g of tissue). The isolated collagen was characterized by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and circular dichroism spectroscopy.

Characterization of thermoelectric commercial modules using a module test system

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso la DTU, Technical University of Denmark, nel Department of Energy Conversion and Storage, Riso Campus. Lo scopo del periodo di soggiorno estero è stato quello di caratterizzare appropriati moduli termoelettrici forniti da aziende del settore, utilizzando un opportuno apparato di caratterizzazione. Quest’ultimo è noto come “module test system” e, nello specifico, è stato fornito dalla PANCO GmbH, azienda anch’essa attiva nel campo delle tecnologie termoelettriche. Partendo da uno studio teorico dei fenomeni fisici interessati (effetto Seebeck per la produzione di potenza termoelettrica), si è cercato in seguito di analizzare le principali caratteristiche, ed elementi, del “module test system”. Successivamente a questa prima fase di analisi, sono stati condotti esperimenti che, con l’aiuto di modelli computazionali implementati attraverso il software Comsol Multiphysics, hanno permesso di studiare l’affidabilità del sistema di caratterizzazione. Infine, una volta acquisite le basi necessarie ad una corretta comprensione dei fenomeni fisici e delle caratteristiche relative alla strumentazione, sono stati analizzati moduli termoelettrici di tipo commerciale. In particolare, sono stati estrapolati dati quali correnti, tensioni, gradienti di temperatura, che hanno permesso di ricavare flussi termici, efficienze, e potenze che caratterizzano il modulo in questione durante le condizioni di funzionamento. I risultati ottenuti sono stati successivamente comparati con dati forniti dal produttore, presenti sul catalogo.

Micro-FEM models based on micro-CT reconstructions for the in vitro characterization of the elastic properties of trabecular bone tissue.

This master’s thesis describes the research done at the Medical Technology Laboratory (LTM) of the Rizzoli Orthopedic Institute (IOR, Bologna, Italy), which focused on the characterization of the elastic properties of the trabecular bone tissue, starting from october 2012 to present. The approach uses computed microtomography to characterize the architecture of trabecular bone specimens. With the information obtained from the scanner, specimen-specific models of trabecular bone are generated for the solution with the Finite Element Method (FEM). Along with the FEM modelling, mechanical tests are performed over the same reconstructed bone portions. From the linear-elastic stage of mechanical tests presented by experimental results, it is possible to estimate the mechanical properties of the trabecular bone tissue. After a brief introduction on the biomechanics of the trabecular bone (chapter 1) and on the characterization of the mechanics of its tissue using FEM models (chapter 2), the reliability analysis of an experimental procedure is explained (chapter 3), based on the high-scalable numerical solver ParFE. In chapter 4, the sensitivity analyses on two different parameters for micro-FEM model’s reconstruction are presented. Once the reliability of the modeling strategy has been shown, a recent layout for experimental test, developed in LTM, is presented (chapter 5). Moreover, the results of the application of the new layout are discussed, with a stress on the difficulties connected to it and observed during the tests. Finally, a prototype experimental layout for the measure of deformations in trabecular bone specimens is presented (chapter 6). This procedure is based on the Digital Image Correlation method and is currently under development in LTM.

Development of in vitro methods to test acetabular prosthetic reconstructions (messa a punto di metodi in vitro per la caratterizzazione biomeccanica di ricostruzioni acetabolari)

The revision hip arthroplasty is a surgical procedure, consisting in the reconstruction of the hip joint through the replacement of the damaged hip prosthesis. Several factors may give raise to the failure of the artificial device: aseptic loosening, infection and dislocation represent the principal causes of failure worldwide. The main effect is the raise of bone defects in the region closest to the prosthesis that weaken the bone structure for the biological fixation of the new artificial hip. For this reason bone reconstruction is necessary before the surgical revision operation. This work is born by the necessity to test the effects of bone reconstruction due to particular bone defects in the acetabulum, after the hip prosthesis revision. In order to perform biomechanical in vitro tests on hip prosthesis implanted in human pelvis or hemipelvis a practical definition of a reference frame for these kind of bone specimens is required. The aim of the current study is to create a repeatable protocol to align hemipelvic samples in the testing machine, that relies on a reference system based on anatomical landmarks on the human pelvis. In chapter 1 a general overview of the human pelvic bone is presented: anatomy, bone structure, loads and the principal devices for hip joint replacement. The purpose of chapters 2 is to identify the most common causes of the revision hip arthroplasty, analysing data from the most reliable orthopaedic registries in the world. Chapter 3 presents an overview of the most used classifications for acetabular bone defects and fractures and the most common techniques for acetabular and bone reconstruction. After a critical review of the scientific literature about reference frames for human pelvis, in chapter 4, the definition of a new reference frame is proposed. Based on this reference frame, the alignment protocol for the human hemipelvis is presented as well as the statistical analysis that confirm the good repeatability of the method.

Pulsed plasma thruster ignition system: investigation, test design and results

Fra i sistemi di propulsione elettrica per satelliti, il Pulsed Plasma Thruster, PPT, è quello dal design più semplice. È anche il primo sistema di propulsione elettrica utilizzato in un satellite artificiale, ossia ZOND-2 lanciato nel 1964 dall’Unione Sovietica. Tuttavia, dopo circa 50 anni di ricerca, la comprensione teorica e sperimentale di questo dispositivo rimane limitata. Questo elaborato di tesi magistrale indaga sul sottosistema di accensione del PPT, cercando di mettere in luce alcuni aspetti legati al lifetime della spark plug, SP. Tale SP, o candela, è l’attuatore del sottosistema di accensione. Questa produce una scintilla sulla sua superficie, la quale permette la realizzazione della scarica elettrica principale fra i due elettrodi del motore. Questa scarica crea una sottile parete di plasma che, per mezzo della forza elettromagnetica di Lorentz, produce la spinta del PPT. Poiché la SP si trova all’interno del catodo del motore e si affaccia nella camera di scarica, questa soffre di fenomeni di corrosione e di deposizione carbonacea proveniente dal propellente. Questi fenomeni possono limitare notevolmente il lifetime della SP. I parametri connessi alla vita operativa della SP sono numerosi. In questo elaborato si è analizzata la possibilità di utilizzare una elettronica di accensione della candela alternativa alla classica soluzione che utilizza un trasformatore. Il sottosistema di accensione classico e quello nuovo sono stati realizzati e testati, per metterne in luce le differenze ed i possibili vantaggi/svantaggi.

Messa a punto di metodi per la caratterizzazione meccanica in vitro di segmenti ossei

In the last decade, the mechanical characterization of bone segments has been seen as a fundamental key to understanding how the distribution of physiological loads works on the bone in everyday life, and the resulting structural deformations. Therefore, characterization allows to obtain the main load directions and, consequently, to observe the structural lamellae of the bone disposal, in order to recreate a prosthesis using artificial materials that behave naturally. This thesis will expose a modular system which provides the mechanical characterization of bone in vitro segment, with particular attention to vertebrae, as the current object of study and research in the lab where I did my thesis work. The system will be able to acquire and process all the appropriately conditioned signals of interest for the test, through dedicated hardware and software architecture, with high speed and high reliability. The aim of my thesis is to create a system that can be used as a versatile tool for experimentation and innovation for future tests of the mechanical characterization of biological components, allowing a quantitative and qualitative assessment of the deformation in analysis, regardless of anatomical regions of interest.