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.

Sviluppo e caratterizzazione di scaffold elettrofilati per la ricostruzione del tessuto tendineo.

Gli obbiettivi di questo lavoro di tesi risultano i seguenti: 1) Progettare e caratterizzare una tipologia di bundle bioriassorbibile attraverso la tecnica dell’elettrofilatura, composto da una miscela di acido poli-(L)lattico (PLLA) e collagene, che cerchi di mimare le proprietà meccaniche dei fascicoli di collagene tendineo umano ed equino; 2) Individuare una metodologia di assemblaggio multiscala dei bundle che permetta la creazione di uno scaffold in grado di mimare la struttura gerarchica di un tendine completo; 3) Applicare la filosofia traslazionale alla progettazione dello scaffold al fine di poter applicare tale tecnologia sia nell’ambito della medicina umana che in quella veterinaria, lavorando nel senso della medicina unica.

Sviluppo e caratterizzazione di impianti e membrane polimeriche per la medicina rigenerativa

Nell’ambito di questa Tesi sono state affrontate le fasi di progettazione, sviluppo e caratterizzazione di materiali biomimetici innovativi per la realizzazione di membrane e/o costrutti 3D polimerici, come supporti che mimano la matrice extracellulare, finalizzati alla rigenerazione dei tessuti. Partendo dall’esperienza di ISTEC-CNR e da un’approfondita conoscenza chimica su polimeri naturali quali il collagene, è stata affrontata la progettazione di miscele polimeriche (blends) a base di collagene, addizionato con altri biopolimeri al fine di ottimizzarne i parametri meccanici e la stabilità chimica in condizioni fisiologiche. I polimeri naturali chitosano ed alginato, di natura polisaccaridica, già noti per la loro biocompatibilità e selezionati come additivi rinforzanti per il collagene, si sono dimostrati idonei ad interagire con le catene proteiche di quest’ultimo formando blends omogenei e stabili. Al fine di ottimizzare l’interazione chimica tra i polimeri selezionati, sono stati investigati diversi processi di blending alla base dei quali è stato applicato un processo complesso di co-fibrazione-precipitazione: sono state valutate diverse concentrazioni dei due polimeri coinvolti e ottimizzato il pH dell’ambiente di reazione. A seguito dei processi di blending, non sono state registrate alterazioni sostanziali nelle caratteristiche chimiche e nella morfologia fibrosa del collagene, a riprova del fatto che non hanno avuto luogo fenomeni di denaturazione della sua struttura nativa. D’altro canto entrambe le tipologie di compositi realizzati, possiedano proprietà chimico-fisiche peculiari, simili ma non identiche a quelle dei polimeri di partenza, risultanti di una reale interazione chimica tra le due molecole costituenti il blending. Per entrambi i compositi, è stato osservato un incremento della resistenza all’attacco dell’enzima collagenasi ed elevato grado di swelling, quest’ultimo lievemente inferiore per il dispositivo contenente chitosano. Questo aspetto, negativo in generale per quanto concerne la progettazione di impianti per la rigenerazione dei tessuti, può avere aspetti positivi poiché la minore permeabilità nei confronti dei fluidi corporei implica una maggiore resistenza verso enzimi responsabili della degradazione in vivo. Studi morfologici al SEM hanno consentito di visualizzare le porosità e le caratteristiche topografiche delle superfici evidenziando in molti casi morfologie ibride che confermano il buon livello d’interazione tra le fasi; una più bassa omogeneità morfologica si è osservata nel caso dei composti collagene-alginato e solo dopo reidratazione dello scaffold. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, valutate in termini di elasticità e resistenza a trazione, sono state rilevate variazioni molto basse e spesso dentro l’errore sperimentale per quanto riguarda il modulo di Young; discorso diverso per la resistenza a trazione, che è risultata inferiore per i campione di collagene-alginato. Entrambi i composti hanno comunque mostrato un comportamento elastico con un minore pre-tensionamento iniziale, che li rendono promettenti nelle applicazioni come impianti per la rigenerazione di miocardio e tendini. I processi di blending messi a punto nel corso della ricerca hanno permesso di ottenere gel omogenei e stabili per mezzo dei quali è stato possibile realizzare dispositivi con diverse morfologie per diversi ambiti applicativi: dispositivi 2D compatti dall’aspetto di membrane semitrasparenti idonei per rigenerazione del miocardio e ligamenti/tendini e 3D porosi, ottenuti attraverso processi di liofilizzazione, con l’aspetto di spugne, idonei alla riparazione/rigenerazione osteo-cartilaginea. I test di compatibilità cellulare con cardiomioblasti, hanno dimostrato come entrambi i materiali compositi realizzati risultino idonei a processi di semina di cellule differenziate ed in grado di promuovere processi di proliferazione cellulare, analogamente a quanto avviene per il collagene puro.

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.

Confronto tra composizione tassonomica e struttura trofica delle comunità macrobentoniche di spiagge dell'Emilia Romagna

Lo studio si inserisce all’interno del progetto THESEUS, il cui obiettivo primario è quello di fornire una metodologia integrata per la pianificazione di strategie di difesa sostenibile per la gestione dell’erosione costiera e delle inondazioni. Nel presente lavoro di tesi in particolare sono state esaminate le componenti biotiche e abiotiche della zona intertidale di 6 spiagge (Lido di Spina, Bellocchio, Lido di Dante, Cervia, Cesenatico, Cesenatico sud) lungo la costa emiliano-romagnola, diverse tra loro per caratteristiche morfodinamiche, per grado di antropizzazione, modalità di gestione ed interventi effettuati per contrastare i fenomeni di erosione costiera. Sono state quindi considerate porzioni di litorale in cui non sono presenti opere di difesa costiera rigide, quali pennelli e barriere, e dove sono quasi del tutto assenti strutture turistico-balneari, e tre siti più antropizzati per la presenza di strutture di difesa costiera o per attività inerenti il turismo. Lo scopo di questo lavoro consiste nella: 1) analisi delle comunità macrobentoniche della zona intertidale in termini di composizione tassonomica; 2) analisi delle comunità macrobentoniche in termini di gruppi funzionali o gruppi trofici, cioè specie che, all’interno della comunità, svolgono la stessa funzione ecologica; 3) relazione fra la struttura delle comunità e le caratteristiche abiotiche e morfodinamiche delle spiagge indagate. L’analisi dei dati ha mostrato come le comunità rinvenute a Bellocchio e Lido di Dante, sia in termini di struttura trofica che tassonomica, siano le più diverse fra di loro. Con l’eccezione di Bellocchio, tutte le spiagge sono dominate dal gruppo trofico dei “suspension feeders” a causa dell’elevata abbondanza del bivalve Lentidium mediterraneum. Quando dalla matrice multivariata biotica viene elimina questa specie, si evidenziano differenze più marcate fra i siti definiti naturali e quelli definiti più antropizzati. Considerando le matrici morfo-abiotiche, Lido di Spina, Cesenatico e Cesenatico sud presentano un sedimento medio-fine e moderatamente ben classato, tipico delle spiagge del litorale emiliano-romagnolo; viceversa Lido di Dante e Bellocchio presentano un sedimento rispettivamente più grossolano e molto fine e argilloso a Bellocchio.

Dentro la struttura

Lo svolgimento della tesi segue la falsariga del discorso tenuto da Pier Luigi Nervi a Torino nel maggio 1961 al momento dell’inaugurazione del Palazzo del Lavoro. In quell’occasione egli illustra la concezione strutturale del suo edificio, realizzato attraverso l’accostamento di 16 elementi autoportanti e indipendenti (ciascuno costituito da un grande pilastro in cemento armato a sezione variabile - da cruciforme a circolare - e da una piastra metallica di copertura) che gli permettono di coprire uno spazio di 25.000 mq come richiesto dal bando di concorso. Nel descrivere le varie parti dell’edificio e le modalità con cui si sono susseguite le differenti lavorazioni (attraverso fasi di cantiere attentamente pianificate), Nervi omette un particolare interessante. Esaminando i disegni esecutivi dell’opera si rileva che all’interno di ogni pilastro è presente una cavità che permette di percorrerlo dalla base fino alla sommità. Ad una prima osservazione questi ‘cunicoli nascosti’ ricordano quelli ricavati nelle spesse murature delle cattedrali romaniche o gotiche, all’interno delle quali si trovano scale a chiocciola che collegano la cripta alla copertura o alle intercapedini del sottotetto. Come per le cattedrali del passato, anche nel Palazzo del Lavoro la creazione di uno spazio praticabile interno alla struttura risponde a più requisiti: funzionale (la manutenzione dei pluviali e delle coperture), costruttivo (la riduzione del peso proprio della struttura) ed economico (il risparmio del materiale). Nervi considera probabilmente questo dettaglio costruttivo un aspetto tecnico di minore importanza, appartenente cioè ad una dimensione ordinaria del proprio lavoro. Eppure, lo spazio ricavato all’interno del pilastro non coinvolge aspetti esclusivamente tecnici, ma sembra piuttosto nascere da una chiara visione progettuale che insegue un’idea di architettura, di unità, di organicità, di ‘servizio’ e di etica del mestiere. Dall’osservazione dell’edificio e della documentazione di progetto se ne ricava infatti una differente considerazione: lo scavo del pilastro non costituisce un aspetto secondario e, viste le implicazioni di carattere spaziale che introduce, merita di essere compreso e approfondito alla luce dell’intera opera di Nervi.

Analisi sperimentale e modellazione della conducibilità termica in materiali per la protezione passiva da incendio esterno

Numerosi incidenti verificatisi negli ultimi dieci anni in campo chimico e petrolchimico sono dovuti all’innesco di sostanze infiammabili rilasciate accidentalmente: per questo motivo gli scenari incidentali legati ad incendi esterni rivestono oggigiorno un interesse crescente, in particolar modo nell’industria di processo, in quanto possono essere causa di ingenti danni sia ai lavoratori ed alla popolazione, sia alle strutture. Gli incendi, come mostrato da alcuni studi, sono uno dei più frequenti scenari incidentali nell’industria di processo, secondi solo alla perdita di contenimento di sostanze pericolose. Questi eventi primari possono, a loro volta, determinare eventi secondari, con conseguenze catastrofiche dovute alla propagazione delle fiamme ad apparecchiature e tubazioni non direttamente coinvolte nell’incidente primario; tale fenomeno prende il nome di effetto domino. La necessità di ridurre le probabilità di effetto domino rende la mitigazione delle conseguenze un aspetto fondamentale nella progettazione dell’impianto. A questo scopo si impiegano i materiali per la protezione passiva da fuoco (Passive Fire Protection o PFP); essi sono sistemi isolanti impiegati per proteggere efficacemente apparecchiature e tubazioni industriali da scenari di incendio esterno. L’applicazione dei materiali per PFP limita l’incremento di temperatura degli elementi protetti; questo scopo viene raggiunto tramite l’impiego di differenti tipologie di prodotti e materiali. Tuttavia l’applicazione dei suddetti materiali fireproofing non può prescindere da una caratterizzazione delle proprietà termiche, in particolar modo della conducibilità termica, in condizioni che simulino l’esposizione a fuoco. Nel presente elaborato di tesi si è scelto di analizzare tre materiali coibenti, tutti appartenenti, pur con diversità di composizione e struttura, alla classe dei materiali inorganici fibrosi: Fibercon Silica Needled Blanket 1200, Pyrogel®XT, Rockwool Marine Firebatt 100. I tre materiali sono costituiti da una fase solida inorganica, differente per ciascuno di essi e da una fase gassosa, preponderante come frazione volumetrica. I materiali inorganici fibrosi rivestono una notevole importanza rispetto ad altri materiali fireproofing in quanto possono resistere a temperature estremamente elevate, talvolta superiori a 1000 °C, senza particolari modifiche chimico-fisiche. Questo vantaggio, unito alla versatilità ed alla semplicità di applicazione, li rende leader a livello europeo nei materiali isolanti, con una fetta di mercato pari circa al 60%. Nonostante l’impiego dei suddetti materiali sia ormai una realtà consolidata nell’industria di processo, allo stato attuale sono disponibili pochi studi relativi alle loro proprietà termiche, in particolare in condizioni di fuoco. L’analisi sperimentale svolta ha consentito di identificare e modellare il comportamento termico di tali materiali in caso di esposizione a fuoco, impiegando nei test, a pressione atmosferica, un campo di temperatura compreso tra 20°C e 700°C, di interesse per applicazioni fireproofing. Per lo studio delle caratteristiche e la valutazione delle proprietà termiche dei tre materiali è stata impiegata principalmente la tecnica Transient Plane Source (TPS), che ha consentito la determinazione non solo della conducibilità termica, ma anche della diffusività termica e della capacità termica volumetrica, seppure con un grado di accuratezza inferiore. I test sono stati svolti su scala di laboratorio, creando un set-up sperimentale che integrasse opportunamente lo strumento Hot Disk Thermal Constants Analyzer TPS 1500 con una fornace a camera ed un sistema di acquisizione dati. Sono state realizzate alcune prove preliminari a temperatura ambiente sui tre materiali in esame, per individuare i parametri operativi (dimensione sensori, tempi di acquisizione, etc.) maggiormente idonei alla misura della conducibilità termica. Le informazioni acquisite sono state utilizzate per lo sviluppo di adeguati protocolli sperimentali e per effettuare prove ad alta temperatura. Ulteriori significative informazioni circa la morfologia, la porosità e la densità dei tre materiali sono state ottenute attraverso stereo-microscopia e picnometria a liquido. La porosità, o grado di vuoto, assume nei tre materiali un ruolo fondamentale, in quanto presenta valori compresi tra 85% e 95%, mentre la frazione solida ne costituisce la restante parte. Inoltre i risultati sperimentali hanno consentito di valutare, con prove a temperatura ambiente, l’isotropia rispetto alla trasmissione del calore per la classe di materiali coibenti analizzati, l’effetto della temperatura e della variazione del grado di vuoto (nel caso di materiali che durante l’applicazione possano essere soggetti a fenomeni di “schiacciamento”, ovvero riduzione del grado di vuoto) sulla conducibilità termica effettiva dei tre materiali analizzati. Analoghi risultati, seppure con grado di accuratezza lievemente inferiore, sono stati ottenuti per la diffusività termica e la capacità termica volumetrica. Poiché è nota la densità apparente di ciascun materiale si è scelto di calcolarne anche il calore specifico in funzione della temperatura, di cui si è proposto una correlazione empirica. I risultati sperimentali, concordi per i tre materiali in esame, hanno mostrato un incremento della conducibilità termica con la temperatura, da valori largamente inferiori a 0,1 W/(m∙K) a temperatura ambiente, fino a 0,3÷0,4 W/(m∙K) a 700°C. La sostanziale similitudine delle proprietà termiche tra i tre materiali, appartenenti alla medesima categoria di materiali isolanti, è stata riscontrata anche per la diffusività termica, la capacità termica volumetrica ed il calore specifico. Queste considerazioni hanno giustificato l’applicazione a tutti i tre materiali in esame dei medesimi modelli per descrivere la conducibilità termica effettiva, ritenuta, tra le proprietà fisiche determinate sperimentalmente, la più significativa nel caso di esposizione a fuoco. Lo sviluppo di un modello per la conducibilità termica effettiva si è reso necessario in quanto i risultati sperimentali ottenuti tramite la tecnica Transient Plane Source non forniscono alcuna informazione sui contributi offerti da ciascun meccanismo di scambio termico al termine complessivo e, pertanto, non consentono una facile generalizzazione della proprietà in funzione delle condizioni di impiego del materiale. La conducibilità termica dei materiali coibenti fibrosi e in generale dei materiali bi-fasici tiene infatti conto in un unico valore di vari contributi dipendenti dai diversi meccanismi di scambio termico presenti: conduzione nella fase gassosa e nel solido, irraggiamento nelle superfici delle cavità del solido e, talvolta, convezione; inoltre essa dipende fortemente dalla temperatura e dalla porosità. Pertanto, a partire dal confronto con i risultati sperimentali, tra cui densità e grado di vuoto, l’obiettivo centrale della seconda fase del progetto è stata la scelta, tra i numerosi modelli a disposizione in letteratura per materiali bi-fasici, di cui si è presentata una rassegna, dei più adatti a descrivere la conducibilità termica effettiva nei materiali in esame e nell’intervallo di temperatura di interesse, fornendo al contempo un significato fisico ai contributi apportati al termine complessivo. Inizialmente la scelta è ricaduta su cinque modelli, chiamati comunemente “modelli strutturali di base” (Serie, Parallelo, Maxwell-Eucken 1, Maxwell-Eucken 2, Effective Medium Theory) [1] per la loro semplicità e versatilità di applicazione. Tali modelli, puramente teorici, hanno mostrato al raffronto con i risultati sperimentali numerosi limiti, in particolar modo nella previsione del termine di irraggiamento, ovvero per temperature superiori a 400°C. Pertanto si è deciso di adottare un approccio semi-empirico: è stato applicato il modello di Krischer [2], ovvero una media pesata su un parametro empirico (f, da determinare) dei modelli Serie e Parallelo, precedentemente applicati. Anch’esso si è rivelato non idoneo alla descrizione dei materiali isolanti fibrosi in esame, per ragioni analoghe. Cercando di impiegare modelli caratterizzati da forte fondamento fisico e grado di complessità limitato, la scelta è caduta sui due recenti modelli, proposti rispettivamente da Karamanos, Papadopoulos, Anastasellos [3] e Daryabeigi, Cunnington, Knutson [4] [5]. Entrambi presentavano il vantaggio di essere stati utilizzati con successo per materiali isolanti fibrosi. Inizialmente i due modelli sono stati applicati con i valori dei parametri e le correlazioni proposte dagli Autori. Visti gli incoraggianti risultati, a questo primo approccio è seguita l’ottimizzazione dei parametri e l’applicazione di correlazioni maggiormente idonee ai materiali in esame, che ha mostrato l’efficacia dei modelli proposti da Karamanos, Papadopoulos, Anastasellos e Daryabeigi, Cunnington, Knutson per i tre materiali analizzati. Pertanto l’obiettivo finale del lavoro è stato raggiunto con successo in quanto sono stati applicati modelli di conducibilità termica con forte fondamento fisico e grado di complessità limitato che, con buon accordo ai risultati sperimentali ottenuti, consentono di ricavare equazioni predittive per la stima del comportamento, durante l’esposizione a fuoco, dei materiali fireproofing in esame. Bologna, Luglio 2013 Riferimenti bibliografici: [1] Wang J., Carson J.K., North M.F., Cleland D.J., A new approach to modelling the effective thermal conductivity of heterogeneous materials. International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 3075-3083. [2] Krischer O., Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik (The Scientific Fundamentals of Drying Technology), Springer-Verlag, Berlino, 1963. [3] Karamanos A., Papadopoulos A., Anastasellos D., Heat Transfer phenomena in fibrous insulating materials. (2004) Geolan.gr http://www.geolan.gr/sappek/docs/publications/article_6.pdf Ultimo accesso: 1 Luglio 2013. [4] Daryabeigi K., Cunnington G. R., and Knutson J. R., Combined Heat Transfer in High-Porosity High-Temperature Fibrous Insulation: Theory and Experimental Validation. Journal of Thermophysics and Heat Transfer 25 (2011) 536-546. [5] Daryabeigi K., Cunnington G.R., Knutson J.R., Heat Transfer Modeling for Rigid High-Temperature Fibrous Insulation. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. AIAA Early Edition/1 (2012).

Struttura filogenetica della comunità batterica associata ad Ostreopsis cf. Ovata in colture batch e dinamiche di crescita

Negli ultimi 10 anni i blooms attribuibili alla dinoflagellata bentonica Ostreopsis cf. ovata sono aumentati in termini di frequenza ed intensità lungo le coste del Mediterraneo, avendo ripercussioni negative sulla salute umana e forti impatti sulle comunità marine bentoniche, ciò a seguito della produzione di potenti tossine (composti palitossina-simili) da parte della microalga. Tra i fattori ecologici che innescano o regolano le dinamiche dei bloom tossici le interazioni tra microalghe e batteri sono in misura sempre maggiore oggetto di ricerca. In questo studio è stata analizzata la struttura filogenetica della comunità batterica associata ad O. cf. ovata in colture batch e valutate le dinamiche successionali della stessa in relazione alle differenti fasi di crescita della microalga (oltre che in relazione alle dinamiche di abbondanza virale). Lo studio filogenetico è stato effettuato tramite l’ausilio di metodiche molecolari di sequenziamento di next generation (Ion Torrent). Le abbondanze dei batteri e delle particelle virali sono state determinate tramite microscopia ad epifluorescenza; l’abbondanza cellulare algale è stata stimata tramite metodo Uthermohl. Il contributo della frazione batterica ad elevata attività respiratoria è stato determinato tramite doppia colorazione con coloranti DAPI e CTC. Dai dati emersi si evince che la comunità batterica attraversa due fasi di crescita distinte, una più marcata e concomitante con la fase esponenziale di O. cf. ovata, l'altra quando la microalga è in fase media stazionaria. Per quanto concerne la composizione filogenetica della comunità sono stati rilevati 12 phyla, 17 classi e 150 generi, sebbene i dati ottenuti abbiano rilevato una forte dominanza del phylum Proteobacteria con la classe Alphaproteobacteria, seguita dal phylum Bacteroidetes con la classe Sphingobacteria. Variazioni nella struttura filogenetica della comunità batterica, a livello di generi, tra le diverse fasi di crescita della microalga ha permesso di evidenziare ed ipotizzare particolari interazioni di tipo mutualistico e di tipo competitivo.

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.

Identification and characterization of periplasmic proteins implicated in the adaptation of Helicobacter pylori to the human gastric niche

Helicobacter pylori è un batterio Gram-negativo in grado di colonizzare la mucosa gastrica umana e persistere per l'intero arco della vita dell'ospite. E' associato a patologie gastrointestinali, quali gastrite cronica, ulcere gastriche e duodenali, adenocarcinomi e linfomi gastrici. Si tratta di uno dei patogeni più diffusi, presente in circa metà della popolazione mondiale, e il solo che si è adattato a vivere nell'ambiente ostile dello stomaco umano. Molteplici sono i fattori di virulenza che permettono al batterio la colonizzazione della nicchia gastrica e contribuiscono, anche attraverso l' induzione di una risposta infiammatoria, a profonde modificazioni dell' omeostasi gastrica. Queste ultime si associano, ad esempio, all'iperproduzione di fattori proinfiammatori, ad alterazioni sia della regolazione della secrezione acida gastrica sia del ciclo cellulare e della morte cellulare programmata (apoptosi) delle cellule epiteliali gastriche, a disordini nel metabolismo del ferro e a carenze di elementi essenziali. Studi sulla diversità genetica di H. pylori osservata in ceppi isolati da varie regioni del mondo, dimostrano che tale batterio ha avuto una coevoluzione col genere umano attraverso la storia, ed è verosimile che H. pylori sia stato un costituente del microbiota gastrico per almeno 50.000 anni. Scopo della tesi è stato quello di identificare e caratterizzare proteine importanti per la colonizzazione e l'adattamento di H. pylori alla nicchia gastrica. In particolare gli sforzi si sono concentrati su due proteine periplasmatiche, la prima coinvolta nella difesa antiossidante (l'enzima catalasi-like, HP0485), e la seconda nel trasporto di nutrienti presenti nell'ambiente dello stomaco all'interno della cellula (la componente solubile di un ABC transporter, HP0298). La strategia utilizzata prevede un'analisi bioinformatica preliminare, l'ottenimento del gene per amplificazione, mediante PCR, dal genoma dell'organismo, la costruzione di un vettore per il clonaggio, l'espressione eterologa in E. coli e la successiva purificazione. La proteina così ottenuta viene caratterizzata mediante diverse tecniche, quali spettroscopia UV, dicroismo circolare, gel filtrazione analitica, spettrometria di massa. Il capitolo 1 contiene un'introduzione generale sul batterio, il capitolo 2 e il capitolo 3 descrivono gli studi relativi alle due proteine e sono entrambi suddivisi in un abstract iniziale, un'introduzione, la presentazione dei risultati, la discussione di questi ultimi, i materiali e i metodi utilizzati. La catalasi-like (HP0485) è una proteina periplasmatica con struttura monomerica, appartenente ad una famiglia di enzimi a funzione per la maggior parte sconosciuta, ma evolutivamente correlati alla ben nota catalasi, attore fondamentale nella difesa di H. pylori, grazie alla sua azione specifica di rimozione dell'acqua ossigenata. HP0485, pur conservando il fold catalasico e il legame al cofattore eme, non può compiere la reazione di dismutazione dell'acqua ossigenata; possiede invece un'attività perossidasica ad ampio spettro, essendo in grado di accoppiare la riduzione del perossido di idrogeno all'ossidazione di diversi substrati. Come la catalasi, lavora ad alte concentrazioni di aqua ossigenata e non arriva a saturazione a concentrazioni molto elevate di questo substrato (200 mM); la velocità di reazione catalizzata rimane lineare anche a questi valori, aspetto che la differenzia dalle perossidasi che vengono in genere inattivate da concentrazioni di perossido di idrogeno superiori a 10-50 mM. Queste caratteristiche di versatilità e robustezza suggeriscono che la catalasi-like abbia un ruolo di scavenger dell'acqua ossigenata e probabilmente anche un'altra funzione connessa al suo secondo substrato, ossia l'ossidazione di composti nello spazio periplasmatico cellulare. Oltre alla caratterizzazione dell'attività è descritta anche la presenza di un ponte disolfuro, conservato nelle catalasi-like periplasmatiche, con un ruolo nell'assemblaggio dell'eme per ottenere un enzima attivo e funzionale. La proteina periplasmatica HP0298, componente di un sistema di trasporto ABC, è classificata come trasportatore di dipeptidi e appartiene a una famiglia di proteine in grado di legare diversi substrati, tra cui di- e oligopeptidi, nichel, eme, glutatione. Benchè tutte associate a trasportatori di membrana batterici, queste proteine presentano un dominio di legame al substrato che risulta essere conservato nei domini extracellulari di recettori specifici di mammifero e uomo. Un esempio sono i recettori ionotropici e metabotropici del sistema nervoso. Per caratterizzare questa proteina è stato messo a punto un protocollo di ligand-fishing accoppiato alla spettrometria di massa. La proteina purificata, avente un tag di istidine, è stata incubata con un estratto cellulare di H. pylori per poter interagire con il suo substrato specifico all'interno dell'ambiente naturale in cui avviene il legame. Il complesso proteina-ligando è stato poi purificato per cromatografia di affinità e analizzato mediante HPLC-MS. L'identificazione dei picchi differenziali tra campioni con la proteina e 5 campioni di controllo ha portato alla caratterizzazione di pentapeptidi particolarmente ricchi in aminoacidi idrofobici e con almeno un residuo carico negativamente. Considerando che H. pylori necessita di alcuni aminoacidi essenziali, per la maggior parte idrofobici, e che lo stomaco umano è particolarmente ricco di peptidi prodotti dalla digestione delle proteine introdotte con il cibo, il ruolo fisiologico di HP0298 potrebbe essere l'internalizzazione di peptidi, con caratteristiche specifiche di lunghezza e composizione, che sono naturalmente presenti nella nicchia gastrica.

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.