Sviluppo e caratterizzazione di materiali biomimetici e bioattivi per la rigenerazione cartilaginea.

In questo lavoro di tesi è stato sviluppato uno scaffold biomimetico e bioattivo per la rigenerazione cartilaginea. Questo scaffold è in grado di coordinare il processo di rigenerazione di difetti condrali e promuovere la formazione di cartilagine ialina o ‘hyaline-like’ ben integrata con l’osso subcondrale. Lo scaffold realizzato è composto da due strati, uno strato cartilagineo e uno strato calficato, al fine di mimare la complessa interfaccia presente tra la cartilagine articolare e l’osso subcondrale. Lo spessore degli strati, l’adesione tra questi e la presenza di porosità è stata valutata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). Sono state effettuate analisi termogravimetriche (TGA) per determinare la percentuale di acqua residua nel campione dopo il processo di liofilizzazione e il residuo minerale nel campione stesso. Nell’ottica di ottimizzazione del processo di sintesi dello scaffold è stato valutato il grado di reticolazione del campione e il tempo di degradazione. Infine, per valutare la possibilità d’impianto è stato effettuato un test d’impianto su cadavere umano durante il quale diversi campioni, con forma rotonda o quadrata, sono stati impiantati e fissati con diverse tecniche.

Valutazione sperimentale della rigenerazione cartilaginea articolare dopo stimolazione biofisica con campi elettromagnetici pulsati in associazione a trattamenti chirurgici

Diverse tecniche di ingegneria tessutale sono state sviluppate per promuovere la riparazione delle lesioni della cartilagine articolare. Nonostante i buoni risultati clinici a breve termine, il tessuto rigenerato fallisce nel tempo poiché non possiede le caratteristiche meccaniche e funzionali della cartilagine articolare nativa. La stimolazione con campi elettromagnetici pulsati (CEMP) rappresenta un approccio terapeutico innovativo. I CEMP aumentano l’attività anabolica dei condrociti con conseguente incremento della sintesi della matrice, e limitano l’effetto catabolico delle citochine pro-infiammatorie riducendo la degradazione della cartilagine nel microambiente articolare. I CEMP agiscono mediante l’up-regolazione dei recettori adenosinici A2A potenziando il loro affetto anti-infiammatorio. Lo scopo di questo studio è stato quello di valutare l’effetto della stimolazione con CEMP sulla guarigione di difetti osteocondrali in un modello sperimentale nel coniglio. Un difetto osteocondrale del diametro di 4mm è stato eseguito nel condilo femorale mediale di entrambe le ginocchia di 20 conigli. A destra la lesione è stata lasciata a guarigione spontanea mentre a sinistra e stata trattata mediante inserimento di scaffold collagenico o trapianto di cellule mesenchimali midollari sul medesimo scaffold precedentemente prelevate dalla cresta iliaca. In base al trattamento eseguito 10 animali sono stati stimolati con CEMP 4 ore/die per 40 giorni mentre altri 10 hanno ricevuto stimolatori placebo. Dopo il sacrificio a 40 giorni, sono state eseguite analisi istologiche mediante un punteggio di O’Driscoll modificato. Confrontando le lesioni lasciate a guarigione spontanea, la stimolazione con CEMP ha migliorato significativamente il punteggio (p=0.021). Lo stesso risultato si è osservato nel confronto tra lesioni trattate mediante trapianto di cellule mesenchimali midollari (p=0.032). Nessuna differenza è stata osservata tra animali stimolati e placebo quando la lesione è stata trattata con il solo scaffold (p=0.413). La stimolazione con CEMP è risultata efficace nel promuovere la guarigione di difetti osteocartilaginei in associazione a tecniche chirurgiche di ingegneria tessutale.

Sviluppo di impianti ceramici biomimetici a porosità controllata per la rigenerazione del tessuto osseo

La presente ricerca si inquadra nell’ambito della risoluzione dei problemi legati alla chirurgia ossea, per la cura e la sostituzione di parti di osso in seguito a fratture, lesioni gravi, malformazioni e patologie quali osteoporosi, tumori, etc… Attualmente la progettazione di impianti per le sostituzioni/rigenerazioni ossee richiede che i materiali sviluppati siano in grado di “mimare” la composizione e la morfologia dei tessuti naturali, in modo da generare le specifiche interazioni chimiche esistenti nei tessuti dell’organismo con cui vengono a contatto e quindi di biointegrarsi e/o rigenerare l’osso mancante nel miglior modo possibile, in termini qualitativi e quantitativi. Per lo sviluppo di sostituti ossei porosi sono state sperimentate 2 tecnologie innovative: il freeze-casting ed il foaming. Gli impianti ceramici realizzati hanno presentano una dimensione dei pori ed un’interconnessione adeguata sia per l’abitazione cellulare che per la penetrazione dei fluidi fisiologici e la vascolarizzazione. In particolare l’elevata unidirezionalità nei campioni ottenuti mediante freeze-casting si presenta molto promettente poiché fornisce cammini guida che migliorano la vascolarizzazione dell’impianto e l’abitazione cellulare in tempi rapidi e nella parte più interna dello scaffold. D’altra parte, la tecnologia del foaming ha permesso l’ottenimento di materiali apatitici ad alta porosità multidimensionale ed interconnessa con proprietà meccaniche implementate rispetto a tipologie precedenti e, lavorabili dopo sinterizzazione mediante prototipazione rapida. Per questo motivo, questi materiali sono attualmente in corso di sperimentazione, con risultati preliminari adeguati promettenti per un’applicazione clinica, come sostituti ossei di condilo mandibolare, sito estremamente critico per gli sforzi meccanici presenti. È stata dimostrata la possibilità di utilizzare lo scaffold ceramico biomimetico con la duplice funzione di sostituto osseo bioattivo e sistema di rilascio in situ di ioni specifici e di antibiotico, in cui la cinetica di rilascio risulta fortemente dipendente dalle caratteristiche chimico-fisico morfologiche del dispositivo (solubilità, area di superficie specifica,…). Per simulare sempre di più la composizione del tessuto osseo e per indurre specifiche proprietà funzionali, è stata utilizzata la gelatina come fase proteica con cui rivestire/impregnare dispositivi porosi 3D a base di apatite, con cui miscelare direttamente la fase inorganica calcio-fosfatica e quindi realizzare materiali bio-ibridi in cui le due fasi contenenti siano intimamente interagenti. Inoltre al fine di ridurre gli innumerevoli problemi legati alle infezioni ossee alcuni dei materiali sviluppati sono stati quindi caricati con antibiotico e sono state valutate le cinetiche di rilascio. In questa maniera, nel sito dell’impianto sono state associate le funzioni di trasporto e di rilascio di farmaco, alla funzione di sostituzione/rigenerazione ossee. La sperimentazione con la gelatina ha messo in luce proprietà posatamente sfruttabili della stessa. Oltre a conferire allo scaffold un implementata mimesi composizionale del tessuto osseo, ha infatti consentito di aumentare le proprietà meccaniche, sia come resistenza a compressione che deformazione. Unitamente a quanto sopra, la gelatina ha consentito di modulare la funzionalità di dispensatore di farmaco; mediante controllo della cinetica di rilascio, tramite processi di reticolazione più o meno spinti.

Peptidi autoassemblanti per la produzione di scaffold nell'ingegneria tissutale

L’argomento trattato in questo elaborato riguarda la natura e le applicazioni di una nuova classe di biomateriali: i peptidi auto-assemblanti. La perdita di funzione di un organo o di un tessuto rappresenta una problematica rilevante sia sotto il profilo clinico sia per i costi di gestione. I trapianti sono infatti tra le terapie più sofisticate e onerose economicamente, complicate da altri aspetti quali una strutturale insufficienza di donatori e la necessità che i soggetti trapiantati vengano sottoposti cronicamente a regimi terapeutici immunosoppressivi che aumentano eventuali effetti collaterali. La terapia sostitutiva basata su organi artificiali è invece gravata dalla durata limitata dei dispositivi, nonchè da un non trascurabile rischio infettivo. La medicina rigenerativa, che sembra essere una soluzione adeguata per ovviare a tutte queste problematiche, è un settore emergente che combina aspetti della medicina, della biologia cellulare e molecolare, della scienza dei materiali e dell’ingegneria al fine di rigenerare, riparare o sostituire i tessuti danneggiati. In questo panorama, il ruolo dei biomateriali sta diventando sempre più importante grazie alla loro varietà e alle loro funzioni emergenti. Tra i biomateriali innovativi più promettenti troviamo i peptidi auto-assemblanti. Dopo un'introduzione sui principi dell'ingegneria tissutale, la tesi si focalizza sui peptidi auto-assemblanti e sulle loro applicazioni in campo biomedico, ponendo l'attenzione, in particolar modo, sulla realizzazione di scaffold per la rigenerazione del tessuto osseo, cardiaco, cartilagineo e nervoso, e sulla loro applicazione per il rilascio controllato di farmaci.

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.

La biomimetica dello scaffold nell'ingegneria tissutale dell'osso

Ogni giorno nel mondo vengono eseguite migliaia di procedure chirurgiche per sostituire o riparare tessuti che sono stati danneggiati da malattie o traumi. L'ingegneria tissutale rappresenta una strategia alternativa che mira a rigenerare i tessuti danneggiati combinando cellule e biomateriali altamente porosi che fungano da impalcature (scaffolds). In questa tesi compilativa si presenta un approccio recentemente proposto per la rigenerazione del tessuto osseo. Saranno inizialmente descritte caratteristiche e proprietà dell'osso a livello macro e microscopico e il processo riparativo fisiologico. Si illustreranno quindi i principi dell'ingegneria tissutale, evidenziando i biomateriali utilizzabili, le cellule indicate per la rigenerazione e i rapporti funzionali tra di esse e lo scaffold che deve sostenerne la crescita. Successivamente si descriverà il concetto di ‘biomimetica’ dello scaffold e i metodi impiegati per migliorarne la funzionalità, imitando sia l'aspetto meccanico sia quello biologico della reale matrice ossea; verrà trattato infine un caso di scaffold biomimetico realizzato con nanocompositi, che appare un promettente sostitutivo dell'osso.

Sviluppo e caratterizzazione di materiali biomimetici e bioattivi per la rigenerazione dentale

Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare un prototipo di scaffold tri-strato che favorisca la rigenerazione del tessuto parodontale, mimando i differenti tessuti mineralizzati del parodonto per il trattamento, in particolare, delle parodontiti avanzate.Le prime attività si baseranno sulla definizione di un metodo che permetta la standardizzazione della fase dei lavaggi inerente al processo di produzione dello scaffold parodontale. Tale fase risulta, infatti, altamente operatore-dipendente e pertanto l’acqua contenuta prima e dopo il lavaggio, non essendo controllata, influenza diversamente le caratteristiche del prodotto finale. Infine, per garantire l’assottigliamento dello strato intermedio collagenico (tale da rispettare le caratteristiche strutturali del legamento parodontale in vivo) saranno testate diverse condizioni di liofilizzazione.

Evaluation of polycaprolactone scaffold degradation for 6 months in vitro and in vivo

The use of polycaprolactone (PCL) as a biomaterial, especially in the fields of drug delivery and tissue engineering, has enjoyed significant growth. Understanding how such a device or scaffold eventually degrades in vivo is paramount as the defect site regenerates and remodels. Degradation studies of three-dimensional PCL and PCL-based composite scaffolds were conducted in vitro (in phosphate buffered saline) and in vivo (rabbit model). Results up to 6 months are reported. All samples recorded virtually no molecular weight changes after 6 months, with a maximum mass loss of only about 7% from the PCL-composite scaffolds degraded in vivo, and a minimum of 1% from PCL scaffolds. Overall, crystallinity increased slightly because of the effects of polymer recrystallization. This was also a contributory factor for the observed stiffness increment in some of the samples, while only the PCL-composite scaffold registered a decrease. Histological examination of the in vivo samples revealed good biocompatibility, with no adverse host tissue reactions up to 6 months. Preliminary results of medical-grade PCL scaffolds, which were implanted for 2 years in a critical-sized rabbit calvarial defect site, are also reported here and support our scaffold design goal for gradual and late molecular weight decreases combined with excellent long-term biocompatibility and bone regeneration. (C) 2008 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res 90A: 906-919, 2009

Biological performance of a polycaprolactone-based scaffold used as fusion cage device in a large animal model of spinal reconstructive surgery

A bioactive and bioresorbable scaffold fabricated from medical grade poly (epsilon-caprolactone) and incorporating 20% beta-tricalcium phosphate (mPCL–TCP) was recently developed for bone regeneration at load bearing sites. In the present study, we aimed to evaluate bone ingrowth into mPCL–TCP in a large animal model of lumbar interbody fusion. Six pigs underwent a 2-level (L3/4; L5/6) anterior lumbar interbody fusion (ALIF) implanted with mPCL–TCP þ 0.6 mg rhBMP-2 as treatment group while four other pigs implanted with autogenous bone graft served as control. Computed tomographic scanning and histology revealed complete defect bridging in all (100%) specimen from the treatment group as early as 3 months. Histological evidence of continuing bone remodeling and maturation was observed at 6 months. In the control group, only partial bridging was observed at 3 months and only 50% of segments in this group showed complete defect bridging at 6 months. Furthermore, 25% of segments in the control group showed evidence of graft fracture, resorption and pseudoarthrosis. In contrast, no evidence of graft fractures, pseudoarthrosis or foreign body reaction was observed in the treatment group. These results reveal that mPCL–TCP scaffolds could act as bone graft substitutes by providing a suitable environment for bone regeneration in a dynamic load bearing setting such as in a porcine model of interbody spine fusion.

Using concept mapping to scaffold learning for students who experience learning difficulties in science classes

In order to develop scientific literacy students need the cognitive tools that enable them to read and evaluate science texts. One cognitive tool that has been widely used in science education to aid the development of conceptual understanding is concept mapping. However, it has been found some students experience difficulty with concept map construction. This study reports on the development and evaluation of an instructional sequence that was used to scaffold the concept-mapping process when middle school students who were experiencing difficulty with science learning used concept mapping to summarise a chapter of a science text. In this study individual differences in working memory functioning are suggested as one reason that students experience difficulty with concept map construction. The study was conducted using a design-based research methodology in the school’s learning support centre. The analysis of student work samples collected during the two-year study identified some of the difficulties and benefits associated with the use of scaffolded concept mapping with these students. The observations made during this study highlight the difficulty that some students experience with the use of concept mapping as a means of developing an understanding of science concepts and the amount of instructional support that is required for such understanding to develop. Specifically, the findings of the study support the use of multi-component, multi-modal instructional techniques to facilitate the development of conceptual understanding with students who experience difficulty with science learning. In addition, the important roles of interactive dialogue and metacognition in the development of conceptual understanding are identified.

The osteogenic differentiation of adipose tissue-derived precursor cells in A 3D scaffold/matrix environment

Abstract: This paper details an in-vitro study using human adipose tissue-derived precursor/stem cells (ADSCs) in three-dimensional (3D) tissue culture systems. ADSCs from 3 donors were seeded onto NaOH-treated medical grade polycaprolactone-tricalcium phosphate (mPCL-TCP) scaffolds with two different matrix components; fibrin glue and lyophilized collagen. ADSCs within these scaffolds were then induced to differentiate along the osteogenic lineage for a 28-day period and various assays and imaging techniques were performed at Day 1, 7, 14, 21 and 28 to assess and compare the ADSC’s adhesion, viability, proliferation, metabolism and differentiation along the osteogenic lineage when cultured in the different scaffold/matrix systems. The ADSC cells were proliferative in both collagen and fibrin mPCL-TCP scaffold systems with a consistently higher cell number (by comparing DNA amounts) in the induced group over the non-induced groups for both scaffold systems. In response to osteogenic induction, these ADSCs expressed elevated osteocalcin, alkaline phosphatase and osteonectin levels. Cells were able to proliferate within the pores of the scaffolds and form dense cellular networks after 28 days of culture and induction. The successful cultivation of osteogenic by FDM process manufactured ADSCs within a 3D matrix comprising fibrin glue or collagen, immobilized within a robust synthetic scaffold is a promising technique which should enhance their potential usage in the regenerative medicine arena, such as bone tissue engineering.

Scaffold development using 3D printing with a starch-based polymer

Rapid prototyping (RP) techniques have been utilised by tissue engineers to produce three-dimensional (3D) porous scaffolds. RP technologies allow the design and fabrication of complex scaffold geometries with a fully interconnected pore network. Three-dimensional printing (3DP) technique was used to fabricate scaffolds with a novel micro- and macro-architecture. In this study, a unique blend of starch-based polymer powders (cornstarch, dextran and gelatin) was developed for the 3DP process. Cylindrical scaffolds of five different designs were fabricated and post-processed to enhance the mechanical and chemical properties. The scaffold properties were characterised by scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), porosity analysis and compression tests