Tecniche di ingegneria tessutale per la realizzazione di protesi valvolari cardiache

Tecniche di ingegneria tessutale per la realizzazione di protesi valvolari cardiache

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.

Modulazione del differenziamento osteogenico di precursori mesenchimali umani per applicazioni di ingegneria tissutale

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.

La matematica fuzzy nell'ingegneria dei materiali. Applicazioni alla durevolezza e alla conservazione dei materiali in opera nei siti archeologici

La ricerca presentata è un’ampia esplorazione delle possibili applicazioni di concetti, metodi e procedure della Fuzzy Logic all’Ingegneria dei Materiali. Tale nuovo approccio è giustificato dalla inadeguatezza dei risultati conseguiti con i soli metodi tradizionali riguardo alla reologia ed alla durabilità, all’utilizzo di dati di laboratorio nella progettazione e alla necessità di usare un linguaggio (informatizzabile) che consenta una valutazione congiunta degli aspetti tecnici, culturali, economici, paesaggistici della progettazione. – In particolare, la Fuzzy Logic permette di affrontare in modo razionale l’aleatorietà delle variabili e dei dati che, nel settore specifico dei materiali in opera nel costruito dei Beni Culturali, non possono essere trattati con i metodi statistici ordinari. – La scelta di concentrare l’attenzione su materiali e strutture in opera in siti archeologici discende non solo dall’interesse culturale ed economico connesso ai sempre più numerosi interventi in questo nuovo settore di pertinenza dell’Ingegneria dei Materiali, ma anche dal fatto che, in tali contesti, i termini della rappresentatività dei campionamenti, della complessità delle interazioni tra le variabili (fisiche e non), del tempo e quindi della durabilità sono evidenti ed esasperati. – Nell’ambito di questa ricerca si è anche condotto un ampio lavoro sperimentale di laboratorio per l’acquisizione dei dati utilizzati nelle procedure di modellazione fuzzy (fuzzy modeling). In tali situazioni si è operato secondo protocolli sperimentali standard: acquisizione della composizione mineralogica tramite diffrazione di raggi X (XRD), definizione della tessitura microstrutturale con osservazioni microscopiche (OM, SEM) e porosimetria tramite intrusione forzata di mercurio (MIP), determinazioni fisiche quali la velocità di propagazione degli ultrasuoni e rotoviscosimetria, misure tecnologiche di resistenza meccanica a compressione uniassiale, lavorabilità, ecc. – Nell’elaborazione dei dati e nella modellazione in termini fuzzy, la ricerca è articolata su tre livelli: a. quello dei singoli fenomeni chimico-fisici, di natura complessa, che non hanno trovato, a tutt’oggi, una trattazione soddisfacente e di generale consenso; le applicazioni riguardano la reologia delle dispersioni ad alto tenore di solido in acqua (calci, cementi, malte, calcestruzzi SCC), la correlazione della resistenza a compressione, la gelività dei materiali porosi ed alcuni aspetti della durabilità del calcestruzzo armato; b. quello della modellazione della durabilità dei materiali alla scala del sito archeologico; le applicazioni presentate riguardano i centri di cultura nuragica di Su Monte-Sorradile, GennaMaria-Villanovaforru e Is Paras-Isili; c. quello della scelta strategica costituita dalla selezione del miglior progetto di conservazione considerando gli aspetti connessi all’Ingegneria dei Materiali congiuntamente a quelli culturali, paesaggistici ed economici; le applicazioni hanno riguardato due importanti monumenti (Anfiteatro e Terme a Mare) del sito Romano di Nora-Pula.

Biomimetica per l'ingegneria tissutale dell'osso

Reconstruction of bone is needed for high bone loss due to congenital deformities, trauma or neoplastic diseases. Commonly, orthopaedic surgical treatments are autologus or allogenic bone implant or prosthetic implant. A choice to the traditional approaches could be represented by tissue engineering that use cells (and/or their products) and innovative biomaterials to perform bone substitutes biologically active as an alternative to artificial devices. In the last years, there was a wide improvement in biology on stem cells potential research and in biomedical engineering through development of new biomaterials designed to resemble the physiological tissues. Tissue engineering strategies and smart materials aim together to stimulate in vivo bone regeneration. This approaches drive at restore not only structure integrity and/or function of the original tissue, but also to induce new tissue deposition in situ. An intelligent bone substitute is now designed like not only a scaffold but also as carrier of regeneration biomolecular signals. Biomimetics has helped to project new tissue engineered devices to simulate the physiological substrates architecture, such extracellular matrix (ECM), and molecular signals that drive the integration at the interface between pre-existing tissue and scaffold. Biomimetic strategies want to increase the material surface biological activity with physical modifications (topography) o chemical ones (adhesive peptides), to improve cell adhesion to material surface and possibly scaffold colonization. This study evaluated the effects of biomimetic modifications of surgical materials surface, as poly-caprolattone (PCL) and titanium on bone stem cells behaviour in a marrow experimental model in vitro. Two biomimetic strategies were analyzed; ione beam irradiation, that changes the surface roughness at the nanoscale, and surface functionalization with specific adhesive peptides or Self Assembled Monolayers (SAMs). These new concept could be a mean to improve the early (cell adhesion, spreading..) and late phases (osteoblast differentiation) of cell/substrate interactions.

La salute come promessa. Ingegneria genetica e biotecnologie fra biopolitica, diritto e criminalità

La tesi di dottorato di Carlo Antonio Gobbato prende in considerazione e sviluppa, secondo una prospettiva rigorosamente sociologica, i temi e i problemi che discendono dai progressi delle bioscienze e delle biotecnologie con particolare riferimento alla programmazione degli esseri umani con precise caratteristiche. Muovendo dalla riflessione di Jurgen Habermas sui caratteri della genetica liberale, sono stati, innanzi tutto, ripresi alcuni temi fondamentali della storia del pensiero politico e giuridico sviluppatisi in età moderna, considerando con particolare attenzione la ricostruzione epistemologica operata da Michel Foucault in merito alla nozione di biopolitica, ovvero sia al modo con cui si è cercato, a partire dal XVIII secolo, di razionalizzare i problemi posti dalla pratica governamentale nei confronti delle persone (pratiche concernenti la salute, il controllo sociale, l’igiene, la mortalità, le razze, ecc.). La biopolitica è una categoria gnoseologica di spiegazione dell’idea di sviluppo presente nell’età moderna, dove sono iscritti vari saperi e pratiche governamentali, risultando così un concetto storicamente determinato da costruzioni produttive e tecnologiche che consentono, oppure obbligano, la vita ad entrare nella storia. D’altra parte, la biopolitica non produce letteralmente la vita, ma interviene direttamente sulla vita consentendone le condizioni di mantenimento e sviluppo. Se la biopolitica ha determinato l’instaurazione del dominio della specie umana sulla materia inerte, la rivoluzione scientifica in atto, anche in ragione dell’intensità con cui procede lo sviluppo delle bioscienze e delle biotecnologie, sta determinando l’affermazione del dominio sulla materia vivente Il progressivo affrancamento delle bioscienze e delle biotecnologie dal sistema sociale e dal sotto sistema sanitario sta comportando un’intensa proliferazione legislativa e normativa di cui la bioetica è parte, assieme alla costituzione ed allo sviluppo di un polo di apparati tendenzialmente autonomo, anche in ragione delle grandi quantità di trasferimenti finanziari, pubblici e privati, specificatamente dedicati e del nuovo mercato dei brevetti sulla vita. Sono evidenti le preoccupazioni degli organismi internazionali e nazionali, ai loro massimi livelli, per un fenomeno emergente, reso possibile dai rapidi progressi delle bioscienze, che consente la messa a disposizione sul mercato globale di “prodotti” ricavati dal corpo umano impossibili da reperire se tali progressi non si fossero verificati. Si tratta di situazioni che formano una realtà giuridica, sociale e mercantile che sempre più le bioscienze contribuiscono, con i loro successi, a rappresentare e costruire, anche se una parte fondamentale nell’edificazione, cognitiva ed emozionale, di tali situazioni, che interagiscono direttamente con l’immaginario soggettivo e sociale, è costituita dal sistema dell’informazione, specializzata e non, che sta con intensità crescente offrendo notizie e riproduzioni, vere o verosimili, scientificamente fondate oppure solo al momento ipotizzate, ma poste e dibattute, che stanno oggettivamente alimentando nuove attese individuali e sociali in grado di generare propensioni e comportamenti verso “oggetti di consumo” non conosciuti solo fino a pochi anni fa. Propensioni e comportamenti che possono assumere, in ragione della velocità con cui si succedono le scoperte delle bioscienze e la frequenza con cui sono immessi nel mercato i prodotti biotecnologici (indipendentemente dalla loro vera o presunta efficacia), anche caratteri di effervescenza anomica, fino alla consumazione di atti gravemente delittuosi di cui la stessa cronaca e le inchieste giudiziarie che si stanno aprendo iniziano a dare conto. La tesi considera criticamente la nuova realtà che emerge dai progressi delle bioscienze e, dopo aver identificato nella semantica dell’immunità e nel dominio sul movimento del corpo gli orientamenti concettuali che forniscono il significato essenziale alla biopolitica di Foucault, cerca di definire secondo una prospettiva propriamente sociologica la linea di separazione fra le pratiche immunitarie ed altre pratiche che non possono essere fatte rientrare nelle prime o, anche, il limite del discorso di Foucault davanti alle questioni poste da Habermas ed inerenti la programmazione genetica degli esseri viventi. Le pratiche genetiche, infatti, non sono propriamente immunitarie e, anzi, la stessa logica discorsiva intorno al gene non ha carattere immunitario, anche se può apportare benefici immunitari. La logica del gene modifica la forma del corpo, è generativa e rigenerativa, può ammettere ed includere, ma anche negare, la semantica biopolitica, i suoi oggetti e i suoi nessi. Gli oggetti della biopolitica sono ogni giorno di più affiancati dagli oggetti di questa dimensione radicalmente originale, per significati e significanti, dimensione che, con un neologismo, si può definire polisgenetica, ovvero sia una pratica governamentale sui generis, con importanti riflessi sul piano socio – criminologico. L’ultima parte della tesi riporta i risultati di recenti ricerche sociologiche sulla percezione sociale dell’ingegneria genetica e delle biotecnologie, nonché presenta i risultati dell’elaborazione delle interviste effettuate per la tesi di ricerca.

Ingegneria di sistemi auto‐organizzanti con il paradigma multiagente

Self-organisation is increasingly being regarded as an effective approach to tackle modern systems complexity. The self-organisation approach allows the development of systems exhibiting complex dynamics and adapting to environmental perturbations without requiring a complete knowledge of the future surrounding conditions. However, the development of self-organising systems (SOS) is driven by different principles with respect to traditional software engineering. For instance, engineers typically design systems combining smaller elements where the composition rules depend on the reference paradigm, but typically produce predictable results. Conversely, SOS display non-linear dynamics, which can hardly be captured by deterministic models, and, although robust with respect to external perturbations, are quite sensitive to changes on inner working parameters. In this thesis, we describe methodological aspects concerning the early-design stage of SOS built relying on the Multiagent paradigm: in particular, we refer to the A&A metamodel, where MAS are composed by agents and artefacts, i.e. environmental resources. Then, we describe an architectural pattern that has been extracted from a recurrent solution in designing self-organising systems: this pattern is based on a MAS environment formed by artefacts, modelling non-proactive resources, and environmental agents acting on artefacts so as to enable self-organising mechanisms. In this context, we propose a scientific approach for the early design stage of the engineering of self-organising systems: the process is an iterative one and each cycle is articulated in four stages, modelling, simulation, formal verification, and tuning. During the modelling phase we mainly rely on the existence of a self-organising strategy observed in Nature and, hopefully encoded as a design pattern. Simulations of an abstract system model are used to drive design choices until the required quality properties are obtained, thus providing guarantees that the subsequent design steps would lead to a correct implementation. However, system analysis exclusively based on simulation results does not provide sound guarantees for the engineering of complex systems: to this purpose, we envision the application of formal verification techniques, specifically model checking, in order to exactly characterise the system behaviours. During the tuning stage parameters are tweaked in order to meet the target global dynamics and feasibility constraints. In order to evaluate the methodology, we analysed several systems: in this thesis, we only describe three of them, i.e. the most representative ones for each of the three years of PhD course. We analyse each case study using the presented method, and describe the exploited formal tools and techniques.

Diabete ed ischemia critica degli arti inferiori. Studio del danno della parete arteriosa e del ruolo dell'endotelio circolante nella riparazione tessutale e nella neoangiogenesi

Objectives In diabetic and non diabetic patients with peripheral artery obstructive disease (PAOD), we sought to establish whether the vascular wall damage, the mature circulating endothelium and the "in situ" neoangiogenesis are related with each other. Design In the peripheral blood of diabetic patients suffering critical ischaemia associated with peripheral artery disease, low levels and poor function of circulating endothelial progenitor cells (EPCs) were observed. Moreover, circulating endothelial cells (CECs) have been described in different conditions of vascular injury. In this type of disorders, which are all characterized by endothelial damage, neoangiogenesis plays a key role. Materials In the study we recruited 22 diabetic and 16 non diabetic patients, all of them suffering PAOD and critical ischaemia; healthy subjects and multiorgan donors have also been considered like controls. Methods Histopathologic characterization was performed on arterial tissue samples under a light microscope. Flow cytofluorimetric analysis was used to quantify CECs in peripheral blood samples. "In situ" expression of the Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) and Metalloproteinase 9 (MMP-9) transcripts was quantified in a Real Time-PCR analysis. Circulating VEGF concentration was determined by an ELISA assay. Results Arterial wall from diabetic patients, compared with non diabetic subjects, revealed a higher incidence of serious lesions (60% vs 47%) and a lower number of capillaries (65% vs 87%). Mean number of CECs/ml was significantly increased in all patients, compared to healthy controls (p=0.001). Compared to healthy subjects, VEGF transcripts expression resulted significantly higher in diabetic patients and in all patients (p<0.05) and a similar result was obtained in the MMP-9 transcripts expression. Serum VEGF concentration was significantly increased in PAOD patients correlated with controls (p=0.0431). Conclusions Our study demonstrates that in all patients considered, probably, regressive phenomenons prevail on reparative ones, causing an inesorable and progressive degeneration of the vascular wall, worse by diabetes. The vascular damage can be monitored by determining CECs number and its severity and development are emphasized by the MMP-9 transcripts expression. The "in situ" VEGF increased expression seems to be the evidence of a parietal cells bid to induce local angiogenesis. This reparing mechanism could induce the EPCs mobilitation by means the release of VEGF from the arterial wall. The mechanism, however, is ineffective like demonstrated by the EPCs reduced number and activities observed in patients suffering PAOD and critical ischaemia.