A collagen-poly(lactic acid-co-ɛ-caprolactone) hybrid scaffold for bladder tissue regeneration.

Scaffold materials should favor cell attachment and proliferation, and provide designable 3D structures with appropriate mechanical strength. Collagen matrices have proven to be beneficial scaffolds for tissue regeneration. However, apart from small intestinal submucosa, they offer a limited mechanical strength even if crosslinking can enhance their mechanical properties. A more cell-friendly way to increase material strength is to combine synthetic polymer meshes with plastic compressed collagen gels. This work describes the potential of plastic compressed collagen-poly(lactic acid-co-ɛ-caprolactone) (PLAC) hybrids as scaffolds for bladder tissue regeneration. Human bladder smooth muscle and urothelial cells were cultured on and inside collagen-PLAC hybrids in vitro. Scaffolds were analyzed by electron microscopy, histology, immunohistochemistry, and AlamarBlue assay. Both cell types proliferated in and on the hybrid, forming dense cell layers on top after two weeks. Furthermore, hybrids were implanted subcutaneously in the backs of nude mice. Host cell infiltration, scaffold degradation, and the presence of the seeded bladder cells were analyzed. Hybrids showed a lower inflammatory reaction in vivo than PLAC meshes alone, and first signs of polymer degradation were visible at six months. Collagen-PLAC hybrids have potential for bladder tissue regeneration, as they show efficient cell seeding, proliferation, and good mechanical properties.

2D, 3D and 4D active compound delivery in tissue engineering and regenerative medicine

Recent advances in tissue engineering and regenerative medicine have shown that controlling cells microenvironment during growth is a key element to the development of successful therapeutic system. To achieve such control, researchers have first proposed the use of polymeric scaffolds that were able to support cellular growth and, to a certain extent, favor cell organization and tissue structure. With nowadays availability of a large pool of stem cell lines, such approach has appeared to be rather limited since it does not offer the fine control of the cell micro-environment in space and time (4D). Therefore, researchers are currently focusing their efforts on developing strategies that include active compound delivery systems in order to add a fourth dimension to the design of 3D scaffolds. This review will focus on recent concepts and applications of 2D and 3D techniques that have been used to control the load and release of active compounds used to promote cell differentiation and proliferation in or out of a scaffold. We will first present recent advances in the design of 2D polymeric scaffolds and the different techniques that have been used to deposit molecular cues and cells in a controlled fashion. We will continue presenting the recent advances made in the design of 3D scaffolds based on hydrogels as well as polymeric fibers and we will finish by presenting some of the research avenues that are still to be explored.

A hydrogel scaffold that maintains viability and supports differentiation of dental pulp stem cells

Objectives: The clinical translation of stem cell-based Regenerative Endodontics demands further development of suitable injectable scaffolds. Puramatrix™ is a defined, self-assembling peptide hydrogel which instantaneously polymerizes under normal physiological conditions. Here, we assessed the compatibility of Puramatrix™ with dental pulp stem cell (DPSC) growth and differentiation. Methods: DPSC cells were grown in 0.05-0.25% Puramatrix™. Cell viability was measured colorimetrically using the WST-1 assay. Cell morphology was observed in 3D modeling using confocal microscopy. In addition, we used the human tooth slice model with Puramatrix™ to verify DPSC differentiation into odontoblast-like cells, as measured by expression of DSPP and DMP-1. Results: DPSC survived and proliferated in Puramatrix™ for at least three weeks in culture. Confocal microscopy revealed that cells seeded in Puramatrix™ presented morphological features of healthy cells, and some cells exhibited cytoplasmic elongations. Notably, after 21 days in tooth slices containing Puramatrix™, DPSC cells expressed DMP-1 and DSPP, putative markers of odontoblastic differentiation. Significance: Collectively, these data suggest that self-assembling peptide hydrogels might be useful injectable scaffolds for stem cell-based Regenerative Endodontics. © 2012 Academy of Dental Materials.

Expansão ex vivo de células uroteliais em scaffolds 3D

Malformations and possible damages to the urogenital system can be originated in the embryonic period. Moreover, fire guns, knives and accidents, where there is the disruption of the urethra, also cause these lesions. The objective was to analyze the contribution of tissue engineering in the construction of neo-urethra, developed by bioengineering. We performed an urothelial ex vivo expansion of cells in 3D scaffolds (platelet gel matrix and acellular porcine aorta) to assess the contribution of this technique in the construction of a neo-urethra. Mechanical dissociation was made of the inner wall of 10 North Folk rabbit’s bladder, weighing 2.5 to 3.0 kg. After dissociation the cell content was centrifuged and obtained a pellet of urothelial cells. The pellet was ressuspended in culture medium DMEM F12 and cells were maintained in culture for 15 days. Immunohistochemical analysis characterized the urothelial culture. The cells were then implanted in the scaffold - platelet gel. In a second experiment using aortic porcine acellular matrix were implanted urothelial cells alone and urothelial cells on platelet gel, on the inner wall of the scaffold - aorta, with space for setting bordered by a urethral probe. The complex probe - cells - aorta and probe - cells in platelet gel - aorta, were sealed with suture material and culture were maintained in a humidified 37ºC incubator with 5% CO2 in air for 12 days to subsequent histological analysis of urothelium cell adhesion to the scaffolds. By observation under an optical microscope, we could see the growth of cells in the scaffold platelet gel, from a monolayer in to a three-dimensional structure. In the acellular porcine aortic matrix containing the platelet gel, we could observe a few quantity of urothelial cells adhered. However with the acellular porcine aortic matrix in which was implanted only the urothelial cells, we have obtained adhesion to the wall

Dendritic cells and T lymphocytes interactions in a novel 3D system

We describe the interactions between monocyte-derived DCs, in different stages of maturation, with allogeneic T lymphocytes in a 3D system. Maturation of DCs increased their interaction time with T lymphocytes from 43 to 138 minutes. The average motility of T lymphocytes interacting or not with DCs was also affected, varying from 0.21μm-0.37μm/minute to 0.36μm- 0.52μm/minute. These data indicate that this 3D BiotekTM scaffold enables interactions between lymphocytes and DCs at different stages of maturation and may be useful for the characterization of these interactions, the cellular subtypes and patterns of response induced.

3D nanostructured microcarriers for cell therapy in regenerative medicine

Supercritical Emulsion Extraction technology (SEE-C) was proposed for the production of poly-lactic-co-glycolic acid microcarriers. SEE-C operating parameters as pressure, temperature and flow rate ratios were analyzed and the process performance was optimized in terms of size distribution and encapsulation efficiency. Microdevices loaded with bovine serum insulin were produced with different sizes (2 and 3 µm) or insulin charges (3 and 6 mg/g) and with an encapsulation efficiency of 60%. The microcarriers were characterized in terms of insulin release profile in two different media (PBS and DMEM) and the diffusion and degradation constants were also estimated by using a mathematical model. PLGA microdevices were also used in a cultivation of embryonic ventricular myoblasts (cell line H9c2 obtained from rat) in a FBS serum free medium to monitor cell viability and growth in dependence of insulin released. Good cell viability and growth were observed on 3 µm microdevices loaded with 3 mg/g of insulin. PLGA microspheres loaded with growth factors (GFs) were charged into alginate scaffold with human Mesenchimal Steam Cells (hMSC) for bone tissue engineering with the aim of monitoring the effect of the local release of these signals on cells differentiation. These “living” 3D scaffolds were incubated in a direct perfusion tubular bioreactor to enhance nutrient transport and exposing the cells to a given shear stress. Different GFs such as, h-VEGF, h-BMP2 and a mix of two (ratio 1:1) were loaded and alginate beads were recovered from dynamic (tubular perfusion system bioreactor) and static culture at different time points (1st, 7th, 21st days) for the analytical assays such as, live/dead; alkaline phosphatase; osteocalcin; osteopontin and Van Kossa Immunoassay. The immunoassay confirmed always a better cells differentiation in the bioreactor with respect to the static culture and revealed a great influence of the BMP-2 released in the scaffold on cell differentiation.

Monitoring the extracellular matrix mineralization processes in biological scaffolds using bioreactors, x-ray μct technology and 3-d modeling methods (monitoraggio dei processi di mineralizzazione della matrice extracellulare in scaffolds biologici, utilizzando bioreattore, tecnologia μct a raggi x e metodi di modellizzazione 3d)

Al fine di migliorare le tecniche di coltura cellulare in vitro, sistemi a bioreattore sono sempre maggiormente utilizzati, e.g. ingegnerizzazione del tessuto osseo. Spinner Flasks, bioreattori rotanti e sistemi a perfusione di flusso sono oggi utilizzati e ogni sistema ha vantaggi e svantaggi. Questo lavoro descrive lo sviluppo di un semplice bioreattore a perfusione ed i risultati della metodologia di valutazione impiegata, basata su analisi μCT a raggi-X e tecniche di modellizzazione 3D. Un semplice bioreattore con generatore di flusso ad elica è stato progettato e costruito con l'obiettivo di migliorare la differenziazione di cellule staminali mesenchimali, provenienti da embrioni umani (HES-MP); le cellule sono state seminate su scaffold porosi di titanio che garantiscono una migliore adesione della matrice mineralizzata. Attraverso un microcontrollore e un'interfaccia grafica, il bioreattore genera tre tipi di flusso: in avanti (senso orario), indietro (senso antiorario) e una modalità a impulsi (avanti e indietro). Un semplice modello è stato realizzato per stimare la pressione generata dal flusso negli scaffolds (3•10-2 Pa). Sono stati comparati tre scaffolds in coltura statica e tre all’interno del bioreattore. Questi sono stati incubati per 21 giorni, fissati in paraformaldehyde (4% w/v) e sono stati soggetti ad acquisizione attraverso μCT a raggi-X. Le immagini ottenute sono state poi elaborate mediante un software di imaging 3D; è stato effettuato un sezionamento “virtuale” degli scaffolds, al fine di ottenere la distribuzione del gradiente dei valori di grigio di campioni estratti dalla superficie e dall’interno di essi. Tale distribuzione serve per distinguere le varie componenti presenti nelle immagini; in questo caso gli scaffolds dall’ipotetica matrice cellulare. I risultati mostrano che sia sulla superficie che internamente agli scaffolds, mantenuti nel bioreattore, è presente una maggiore densità dei gradienti dei valori di grigio ciò suggerisce un migliore deposito della matrice mineralizzata. Gli insegnamenti provenienti dalla realizzazione di questo bioreattore saranno utilizzati per progettare una nuova versione che renderà possibile l’analisi di più di 20 scaffolds contemporaneamente, permettendo un’ulteriore analisi della qualità della differenziazione usando metodologie molecolari ed istochimiche.

Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

Systematic selection of solvents for the fabrication of 3D combined macro- and microporous polymeric scaffolds for soft tissue engineering

In this study, we investigate the fabrication of 3D porous poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) scaffolds using the thermally-induced phase separation technique. The current study focuses on the selection of alternative solvents for this process using a number of criteria, including predicted solubility. toxicity, removability and processability. Solvents were removed via either vacuum freeze-drying or leaching, depending on their physical properties. The residual solvent was tested using gas chromatography-mass spectrometry. A large range of porous, highly interconnected scaffold architectures with tunable pore size and alignment was obtained, including combined macro- and microporous structures and an entirely novel 'porous-fibre' structure. The morphological features of the most promising poly(lactic-co-glycolic acid) scaffolds were analysed via scanning electron microscopy and X-ray micro-computed tomography in both two and three dimensions. The Young's moduli of the scaffolds under conditions of temperature, pH and ionic strength similar to those found in the body were tested and were found to be highly dependent on the architectures.

Biomimetic Scaffold with Aligned Microporosity Designed for Dentin Regeneration

Tooth loss is a common result of a variety of oral diseases due to physiological causes, trauma, genetic disorders, and aging and can lead to physical and mental suffering that markedly lowers the individual’s quality of life. Tooth is a complex organ that is composed of mineralized tissues and soft connective tissues. Dentin is the most voluminous tissue of the tooth and its formation (dentinogenesis) is a highly regulated process displaying several similarities with osteogenesis. In this study, gelatin, thermally denatured collagen, was used as a promising low-cost material to develop scaffolds for hard tissue engineering. We synthetized dentin-like scaffolds using gelatin biomineralized with magnesium-doped hydroxyapatite and blended it with alginate. With a controlled freeze-drying process and alginate cross-linking, it is possible to obtain scaffolds with microscopic aligned channels suitable for tissue engineering. 3D cell culture with mesenchymal stem cells showed the promising properties of the new scaffolds for tooth regeneration. In detail, the chemical–physical features of the scaffolds, mimicking those of natural tissue, facilitate the cell adhesion, and the porosity is suitable for long-term cell colonization and fine cell–material interactions.

3D Porous Architecture of Stacks of β-TCP Granules Compared with That of Trabecular Bone: A microCT, Vector Analysis, and Compression Study

International audience

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 di scaffold biomimetici mediante l'utilizzo di tecnologie additive per la rigenerazione del tessuto osseo

Ogni giorno, nel mondo, si verificano migliaia di fratture ossee e la maggior parte di esse, con il passare del tempo, riescono a rimarginarsi in modo autonomo. In casi più importanti, le fratture ossee necessitano di interventi chirurgici. Per queste motivazioni, affianco ad autoinnesti, alloinnesti e xenoinnesti, negli ultimi anni si è iniziato a parlare in modo sempre più frequente di ingegneria tissutale. In questo tipo di ingegneria, vengono sviluppate delle impalcature in grado di emulare il tessuto osseo naturale. Lo scopo di questa tesi è analizzare le varie tipologie di produzione di scaffold ossei che si ottengono attraverso la tecnologia della stampa 3D. Nella parte introduttiva dell’elaborato, viene inserita una descrizione del tessuto osseo visto sia dal punto di vista cellulare e della composizione, sia dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Successivamente, parlando di medicina rigenerativa, vengono descritti i mezzi di osteosintesi, gli innesti e le impalcature, o scaffold, da impiantare nel sito di interesse. Per quanto riguarda gli scaffold, devono soddisfare diversi requisiti, tra cui la biomimetica, la compatibilità con l’attività cellulare, requisiti di progettazione e proprietà meccaniche adeguate. Tali scaffold possono essere realizzati attraverso diverse geometrie interne. Nella seconda parte dell’elaborato, vengono analizzate le geometrie a cubo semplice, a cubo a faccia centrata/a diamante, a cubo a corpo centrato, a dodecaedro rombico, a traliccio di ottetto, a cubo troncato, modellate attraverso il metodo delle superfici minime triplamente periodiche e con tassellatura di Voronoi. Per i vari articoli analizzati sono stati investigati i metodi di produzione e i risultati ottenuti confrontando vantaggi e svantaggi fra le differenti geometrie.

Mechanical characterization of 3D bioprinted meniscus

Le lesioni del menisco sono le più comuni nella società di oggi: si verificano per un trauma meccanico o per cambiamenti degenerativi nella composizione dei tessuti. In caso di rottura o danneggiamento si interviene mediante riparazione del menisco, menisectomia parziale o totale, o allotrapianto, ma tali tecniche portano a degenerazione della cartilagine articolare, aumento dello stress sull'articolazione tibiale e infiammazione. Gli impianti di sostituzione presenti in commercio non riescono a ricreare il tessuto naturale del ginocchio o a prevenire malattie degenerative della cartilagine; si cerca quindi di creare un menisco meccanicamente e chimicamente simile a quello nativo. In questo studio è realizzato, tramite stampante 3D, uno scaffold di alginato e nanocellulosa, con condrociti umani al suo interno. Le cellule sono opportunamente coltivate, raggruppate a formare sferoidi di diverse concentrazioni (5000 e 10000 cellule/sferoide) e inserite all'interno di scaffold caratterizzati rispettivamente da 4000 e 2000 sferoidi/ml di inchiostro. Le loro proprietà meccaniche, insieme a quelle del campione costituito dal solo bio-inchiostro, sono caratterizzate mediante nanoindentazione. Un'analisi statistica (0.05% di significatività), ha appurato una differenza nelle proprietà meccaniche dei campioni con diverse concentrazioni di sferoidi, e tra questi e il campione senza sferoidi. Il modulo elastico e la durezza riscontrati (kPa): E=23.97±13.05, H=3.15±1.23 nel controllo negativo, E=35.34±7.28, H=4.37±0.79 nel campione da 2000 sferoidi/ml e E=49.28±9.75, H=5.44±0.87 nel campione da 4000 sferoidi/ml. In conclusione, la formazione di agglomerati di cellule e la loro introduzione all'interno di uno scaffold è possibile ed è un buon metodo per controllare il numero di cellule inserite, in termini di sferoidi. Gli organoidi contribuiscono al modulo elastico e alla durezza del campione, determinando un incremento e una maggiore equità nelle proprietà meccaniche.

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.