Design methods and geometric modelling of scaffolds for bone tissue engineering

Every year, thousand of surgical treatments are performed in order to fix up or completely substitute, where possible, organs or tissues affected by degenerative diseases. Patients with these kind of illnesses stay long times waiting for a donor that could replace, in a short time, the damaged organ or the tissue. The lack of biological alternates, related to conventional surgical treatments as autografts, allografts, e xenografts, led the researchers belonging to different areas to collaborate to find out innovative solutions. This research brought to a new discipline able to merge molecular biology, biomaterial, engineering, biomechanics and, recently, design and architecture knowledges. This discipline is named Tissue Engineering (TE) and it represents a step forward towards the substitutive or regenerative medicine. One of the major challenge of the TE is to design and develop, using a biomimetic approach, an artificial 3D anatomy scaffold, suitable for cells adhesion that are able to proliferate and differentiate themselves as consequence of the biological and biophysical stimulus offered by the specific tissue to be replaced. Nowadays, powerful instruments allow to perform analysis day by day more accurateand defined on patients that need more precise diagnosis and treatments.Starting from patient specific information provided by TC (Computed Tomography) microCT and MRI(Magnetic Resonance Imaging), an image-based approach can be performed in order to reconstruct the site to be replaced. With the aid of the recent Additive Manufacturing techniques that allow to print tridimensional objects with sub millimetric precision, it is now possible to practice an almost complete control of the parametrical characteristics of the scaffold: this is the way to achieve a correct cellular regeneration. In this work, we focalize the attention on a branch of TE known as Bone TE, whose the bone is main subject. Bone TE combines osteoconductive and morphological aspects of the scaffold, whose main properties are pore diameter, structure porosity and interconnectivity. The realization of the ideal values of these parameters represents the main goal of this work: here we'll a create simple and interactive biomimetic design process based on 3D CAD modeling and generative algorithmsthat provide a way to control the main properties and to create a structure morphologically similar to the cancellous bone. Two different typologies of scaffold will be compared: the first is based on Triply Periodic MinimalSurface (T.P.M.S.) whose basic crystalline geometries are nowadays used for Bone TE scaffolding; the second is based on using Voronoi's diagrams and they are more often used in the design of decorations and jewellery for their capacity to decompose and tasselate a volumetric space using an heterogeneous spatial distribution (often frequent in nature). In this work, we will show how to manipulate the main properties (pore diameter, structure porosity and interconnectivity) of the design TE oriented scaffolding using the implementation of generative algorithms: "bringing back the nature to the nature".

Fire safety engineering: Confronto tra approccio prescrittivo e prestazionale applicato ad una attivita alberghiera

La complessa materia della prevenzione incendi può essere approcciata secondo due strategie sostanzialmente differenti. Da una parte, l’approccio di tipo deterministico, imperante in Italia, si concretizza nell’emanazione di norme estremamente prescrittive e nel ricorso da parte del progettista a strumenti di calcolo molto semplici. Il pregio maggiore di tale approccio risiede senza dubbio alcuno nella sua estrema semplicità, nella garanzia di una certa omogeneità di applicazione e nella possibilità di erogare in tempi ragionevoli una formazione uniforme ed accettabile ai controllori. Mentre il limite più evidente consiste nella rigidità, talora eccessiva, delle prescrizioni normative e nelle procedure di calcolo da adottare. Dall’altra, un approccio di tipo ingegneristico (Fire Safety Engineering), seguito per lo più nei paesi anglosassoni, si basa sulla predizione della dinamica evolutiva dell’incendio tramite l’applicazione di idonei modelli di calcolo fisicamente basati (physically sound). Punto di forza di questa seconda strategia è la sua estrema flessibilità, che consente la simulazione d’incendi di complessità anche molto elevata. Per contro i limiti più evidenti di tale approccio risiedono nella problematica validazione sperimentale dei modelli in argomento, data la natura distruttiva delle prove che andrebbero condotte, nella spinta preparazione richiesta ai professionisti ed ancor più ai controllori, dato il proliferare negli anni di modelli anche molto diversi tra loro, ed, infine, nel caso di raffinati modelli di campo, in un onere computazionale non sempre sostenibile con i PC di comune diffusione. Allo stato attuale in Italia il ricorso alla Fire Safety Engineering è di fatto circoscritto alle applicazioni per le quali non esiste una specifica norma prescrittiva, su tutte la valutazione del rischio in attività a rischio di incidente rilevante e la Fire Investigation; talora essa è impiegata anche per la valutazione della sicurezza equivalente in occasione di richiesta di deroga a norme prescrittive.

Modellazione avanzata di un incendio in uno stabilimento industriale secondo i principi della fire safety engineering

Lo sviluppo di un incendio all’interno di depositi di liquidi infiammabili costituisce uno scenario particolarmente critico a causa della rilevanza delle conseguenze che ne possono scaturire. L’incendio causato dalla formazione di grandi pozze sviluppatesi a seguito di forature dei contenitori e il rapido coinvolgimento di tutto lo stoccaggio rappresentano uno scenario di incendio tipico di queste realtà. Si ha quindi la necessità di adottare provvedimenti atti a garantire specifici obiettivi di sicurezza tramite l’introduzione di misure antincendio. La prevenzione incendi, sino al 2007, era basata esclusivamente su norme di tipo prescrittivo, in base alle quali si definivano le misure di sicurezza secondo un criterio qualitativo. Successivamente l’ingegneria antincendio si è sempre più caratterizzata da approcci basati su analisi di tipo prestazionale, in grado di dimostrare il raggiungimento dell’obiettivo di sicurezza sulla base del comportamento reale d’incendio ottenuto mediante un’accurata simulazione del fuoco che ragionevolmente può prodursi nell'attività. La modellazione degli incendi è divenuta possibile grazie allo sviluppo di codici di fluidodinamica computazionale (CFD), in grado di descrivere accuratamente l’evoluzione delle fiamme. Il presente studio si inserisce proprio nell’ambito della modellazione CFD degli incendi, eseguita mediante il software Fire Dynamics Simulator (FDS). L’obiettivo dell’elaborato è studiare l’azione dell’impianto di spegnimento a schiuma sullo sviluppo di un incendio di pozza in un deposito di liquidi infiammabili, in termini di riduzione della potenza termica rilasciata dal fuoco, al fine di determinare le temperature massime raggiunte, in corrispondenza delle quali valutare il comportamento di resistenza strutturale degli edifici. Il presente lavoro è articolato in 6 capitoli. Dopo il Capitolo 1, avente carattere introduttivo, vengono richiamati nel Capitolo 2 i principali concetti della chimica e fisica degli incendi. Nel Capitolo 3 vengono esaminate le normative intese ad unificare l’approccio ingegneristico alla sicurezza antincendio. Il Capitolo 4 fornisce una dettagliata descrizione del software di calcolo, FDS - Fire Dynamics Simulator, adoperato per la modellazione dell’incendio. Nel Capitolo 5 si procede alla progettazione prestazionale che conduce alla determinazione della curva naturale d'incendio in presenza degli impianti di spegnimento automatici. Infine nel Capitolo 6 si riportano le considerazioni conclusive.

Environmental impact assessment of the School of Engineering and Architecture (Lazzaretto) - A pathway towards LEED certification

The current work has for object the improvement and the maintenance of the School of Engineering and Architecture in Via Terracini 28 (Bologna), with the prospective to maximize the operative efficiency reducing to the minimum the environmental impact and the costs. In order to realize this work the LEED certification has been used. LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) is a certification system of the buildings. It was born in United States by the U.S. Green Building Council (USGBC)

Engineering the synthesis of lantibiotics in e. Coli by combining the cynnamicin and nisin modification systems.

I lantibiotici sono molecole peptidiche prodotte da un gran numero di batteri Gram-positivi, posseggono attività antibatterica contro un ampio spettro di germi, e rappresentano una potenziale soluzione alla crescente problematica dei patogeni multi-resistenti. La loro attività consiste nel legame alla membrana del bersaglio, che viene quindi destabilizzata mediante l’induzione di pori che determinano la morte del patogeno. Tipicamente i lantibiotici sono formati da un “leader-peptide” e da un “core-peptide”. Il primo è necessario per il riconoscimento della molecola da parte di enzimi che effettuano modifiche post-traduzionali del secondo - che sarà la regione con attività battericida una volta scissa dal “leader-peptide”. Le modifiche post-traduzionali anticipate determinano il contenuto di amminoacidi lantionina (Lan) e metil-lantionina (MeLan), caratterizzati dalla presenza di ponti-tioetere che conferiscono maggior resistenza contro le proteasi, e permettono di aggirare la principale limitazione all’uso dei peptidi in ambito terapeutico. La nisina è il lantibiotico più studiato e caratterizzato, prodotto dal batterio L. lactis che è stato utilizzato per oltre venti anni nell’industria alimentare. La nisina è un peptide lungo 34 amminoacidi, che contiene anelli di lantionina e metil-lantionina, introdotti dall’azione degli enzimi nisB e nisC, mentre il taglio del “leader-peptide” è svolto dall’enzima nisP. Questo elaborato affronta l’ingegnerizzazione della sintesi e della modifica di lantibiotici nel batterio E.coli. In particolare si affronta l’implementazione dell’espressione eterologa in E.coli del lantibiotico cinnamicina, prodotto in natura dal batterio Streptomyces cinnamoneus. Questo particolare lantibiotico, lungo diciannove amminoacidi dopo il taglio del leader, subisce modifiche da parte dell’enzima CinM, responsabile dell’introduzione degli aminoacidi Lan e MeLan, dell’enzima CinX responsabile dell’idrossilazione dell’acido aspartico (Asp), e infine dell’enzima cinorf7 deputato all’introduzione del ponte di lisinoalanina (Lal). Una volta confermata l’attività della cinnamicina e di conseguenza quella dell’enzima CinM, si è deciso di tentare la modifica della nisina da parte di CinM. A tal proposito è stato necessario progettare un gene sintetico che codifica nisina con un leader chimerico, formato cioè dalla fusione del leader della cinnamicina e del leader della nisina. Il prodotto finale, dopo il taglio del leader da parte di nisP, è una nisina completamente modificata. Questo risultato ne permette però la modifica utilizzando un solo enzima invece di due, riducendo il carico metabolico sul batterio che la produce, e inoltre apre la strada all’utilizzo di CinM per la modifica di altri lantibiotici seguendo lo stesso approccio, nonché all’introduzione del ponte di lisinoalanina, in quanto l’enzima cinorf7 necessita della presenza di CinM per svolgere la sua funzione.

Finite element modeling of flow/compression-induced deformation of alginate scaffolds for bone tissue engineering

Trauma or degenerative diseases such as osteonecrosis may determine bone loss whose recover is promised by a "tissue engineering“ approach. This strategy involves the use of stem cells, grown onboard of adequate biocompatible/bioreabsorbable hosting templates (usually defined as scaffolds) and cultured in specific dynamic environments afforded by differentiation-inducing actuators (usually defined as bioreactors) to produce implantable tissue constructs. The purpose of this thesis is to evaluate, by finite element modeling of flow/compression-induced deformation, alginate scaffolds intended for bone tissue engineering. This work was conducted at the Biomechanics Laboratory of the Institute of Biomedical and Neural Engineering of the Reykjavik University of Iceland. In this respect, Comsol Multiphysics 5.1 simulations were carried out to approximate the loads over alginate 3D matrices under perfusion, compression and perfusion+compression, when varyingalginate pore size and flow/compression regimen. The results of the simulations show that the shear forces in the matrix of the scaffold increase coherently with the increase in flow and load, and decrease with the increase of the pore size. Flow and load rates suggested for proper osteogenic cell differentiation are reported.

Reverse engineering di un'applicazione ad agenti nel contesto Smart Home

Relazione completa delle scelte progettuali e implementative di un applicativo ad agenti sviluppato nel contesto Smart Home. Essa contiene un veloce riassunto dello scenario e dello stato attuale dell'applicazione, unitamente a un'introduzione sul middeware su cui si appoggia l'applicativo (TuCSoN). Segue quindi un'analisi delle scelte di modeling delle entita da gestire, le metodologie di supporto alla persistenza e un'ampia descrizione su come gli agenti comunichino tra loro e attraverso quali mezzi (centri di tuple). Quindi viene analizzata l'implementazione partendo dalle scelte implementative sino ad esaminare cosa avviene nel programma a seguito dell'interazione con l'utente. Infine le conclusioni a cui si e giunti e due appendici sulla terminologia e le classi presenti nel prototipo attuale.

Wound stimulation by growth-arrested human keratinocytes and fibroblasts: HP802-247, a new-generation allogeneic tissue engineering product

HP802-247 is a new-generation, allogeneic tissue engineering product consisting of growth-arrested, human keratinocytes (K) and fibroblasts (F) delivered in a fibrin matrix by a spray device.

Improving chondrogenesis: potential and limitations of SOX9 gene transfer and mechanical stimulation for cartilage tissue engineering

Articular cartilage injuries and degeneration affect a large proportion of the population in developed countries world wide. Stem cells can be differentiated into chondrocytes by adding transforming growth factor-beta1 and dexamethasone to a pellet culture, which are unfeasible for tissue engineering purposes. We attempted to achieve stable chondrogenesis without any requirement for exogenous growth factors. Human mesenchymal stem cells were transduced with an adenoviral vector containing the SRY-related HMG-box gene 9 (SOX9), and were cultured in a three-dimensional (3D) hydrogel scaffold composite. As an additional treatment, mechanical stimulation was applied in a custom-made bioreactor. SOX9 increased the expression level of its known target genes, as well as its cofactors: the long form of SOX5 and SOX6. However, it was unable to increase the synthesis of sulfated glycosaminoglycans (GAGs). Mechanical stimulation slightly enhanced collagen type X and increased lubricin expression. The combination of SOX9 and mechanical load boosted GAG synthesis as shown by (35)S incorporation. GAG production rate corresponded well with the amount of (endogenous) transforming growth factor-beta1. Finally, cartilage oligomeric matrix protein expression was increased by both treatments. These findings provide insight into the mechanotransduction of mesenchymal stem cells and demonstrate the potential of a transcription factor in stem cell therapy.

Neocartilage formation in 1 g, simulated, and microgravity environments: implications for tissue engineering

The aim of this study was to analyze and compare the deposition of cartilage-specific extracellular matrix components and cellular organization in scaffold-free neocartilage produced in microgravity and simulated microgravity.