Contract number: NMP4-CT-2006-033277

New Bio-ceramization processes applied to vegetable hierarchical structures

IL PROGETTO TEM-PLANT

Coordinatore: Anna Tampieri, ISTEC-CNR

EC Funding: 2.600.000 EUR

TEM-PLANT è un esempio di come un’idea e un approccio

scientifico non convenzionali possono essere portati a

compimento e sviluppati in un prodotto con potenzialità di

mercato per rispondere a necessità ancora senza soluzioni

accettabili.

L’ottenimento di un finanziamento europeo è già di per sé un grandissimo successo, data la forte competizione esistente.

Perchè TEM-PLANT si può considerare un «caso di successo»?

In spite of the recent advances in materials science and tissue engineering towards new solution for bone regeneration, disorders affecting long, load-bearing bone segments are still a major concern, also due to several serious complications.

LARGE COMMINUTED FRACTURES

Nonunions

Malunions

Infections

Pseudoarthrosis

Repeated, painful and expensive surgical procedures

Loss of limb functionality

Limb amputation

BISOGNO CLINICO NON RISOLTO: RIGENERAZIONE DI OSSA LUNGHE A SEGUITO DI FRATTURE COMPLESSE E COMMINUTE

The hierarchical structure of bone allows a proper distribution of the macroscopic biomechanical stimuli down to the cell level

Scaffolds mimicking the hierarchical structure of bone may activate mechano-transduction processes and favour bone remodeling into textured and functional tissue with high mechanical performance

(TENSEGRITY MODEL)

L’OSSO UMANO: UN TESSUTO DALLA MORFOLOGIA COMPLESSA GERARCHICAMENTE ORGANIZZATA

BONE

LIGAMENT

The current manufacturing technologies are far from being able to produce hierarchically organized structures mimicking bone tissue.

L’ISPIRAZIONE: LA NATURA GENERA STRUTTURE DALLE PROPRIETA’ INCREDIBILI CON UN CONTROLLO MULTI-SCALA

To transform woods into bone-mimicking scaffolds

with hierarchically organized morphology

L’IDEA: TRASFORMARE LEGNI NATURALI IN IMPIANTI OSSEI

ISTEC-CNR (I) Processi di

trasformazione biomorfica per impianti

ossei e ligamentosi

ISTEC-CNR (I) COORDINAMENTO

PROGETTO

LABORATOIRE D’EVALUATON DES MATERIELS

IMPLANTABLES (F) Test cellulari in vitro

FINCERAMICA S.p.A. (I) Commercializzazione

ISTITUTI ORTOPEDICI RIZZOLI (I) Sperimentazione in vivo

TECHNICAL UNIVERSITY OF EINDHOVEN (NL)

Caratterizzazione ultrastrutturale

LULEÅ UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (SE)

Processo di polimeri naturali

WOOD K PLUS (A) Scienze botaniche

UNIVERSIDAD DE SEVILLA (S)

Processi di trasformazione biomorfica per impianti

ossei

IL CONSORZIO UNIVERSITY OF ERLANGEN-

NUERNBERG (D) Processi di trasformazione

biomorfica

SIPO

RATTAN

LUFFA Front view

Transversal view

OVERALL POROSITY : 76 %

40 % Large pores ( = 150 22 m)

60 % Small pores ( = 7 3 m)

OVERALL POROSITY : 85 %

58 % Large pores ( = 250 40 m)

15 % Medium pores ( = 12 4 m)

27 % Small pores ( = 4 1 m)

Cortical-like

Spongy-like

Spongy-like

BONE-MIMICKING WOOD STRUCTURES

OVERALL POROSITY : > 90 %

65 % Large pores ( = 550 100 m)

25 % Medium pores ( = 20 4 m)

10 % Small pores ( = 3 1 m)

Bone

Volkmann’s canal

osteon

interstitial lamellae

Rattan wood

metaphloem

protophloem metaxylem

200 m

SELECTION OF THE NATURAL SOURCES FOR REPRODUCING SPONGY BONE

Vegetable species are selected on the basis of the relevant criteria for bone substitutes: - Hierarchical and anisotropic structure - Microstructural properties (pore size and pore distribution, pore interconnection)

CERAMISATION PROCESS OF NATIVE WOOD

1) PYROLYSIS Wood Carbon

2) CARBURISATION Carbon CaC2

3) OXIDATION CaC2 CaO

5) PHOSPHATIZATION CaCO3 Hydroxyapatite

4) CARBONATION CaO CaCO3

Transformation of the natural wood template and preserving its initial

morphology

Slow thermal treatment at 1000 °C in Ar atmosphere

Reaction of Carbon with gaseous Calcium

at 1650 °C in Ar atmosphere

Oxidation in air at 1000 °C

Carbonation in furnace or autoclave under CO2 pressure

Phosphatization at room conditions in a PO4-rich solution.

Tampieri A, Sprio S, Ruffini A, Celotti G, Lesci IG, Roveri N. From Wood to Bone: multi step-process to convert wood hierarchical structures into biomimetic hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering. J Mater Chem 2009; 19 (28): 4973-4980.

START

Wood Carbon

BIOMORPHIC TRANSFORMATION OF RATTAN

Carbon CaC2

CaC2

CaO

CaCO3

GOAL

CaCO3 Carbonated HA

Control of the reaction kinetics to achieve phase transformation and

to maintain the original wood morphology

Il progetto TEM-PLANT si è concluso con la realizzazione di impianti ossei biomimetici derivati dalla trasformazione di legni

naturali.

Al di là del successo di stampo puramente scientifico, i nuovi impianti hanno mostrato caratteristiche che li rendono molto promettenti per applicazioni biomedicali di grande impatto

ancora senza soluzioni accettabili, incontrando il parere favorevole del comparto clinico.

TIME Magazine

30esima migliore invenzione del 2009 !!!!

Evoluzione della storia: dopo la ricerca

Partecipazione a Start-Cup Il Sole 24ore: dalla scienza all’idea di business

Corsi di imprenditoria (Bio-business)

Coscienza di una realtà più ampia della semplice ricerca scientifica, legata a ciò che avviene «dopo» la ricerca

A new company?

Nella scrittura del progetto: Rispondere ad un bisogno (di carattere sociale, tecnologico, applicativo, etc…) ben definito e di impatto sulla società

Sviluppare bene idea principale e concept del progetto

Identificazione approccio scientifico credibile e convincente, scandito da opportuni milestones

Partendo da una base solida di background knowledge puntare a risultati che possono estendersi anche «far beyond the state of the art» ma affiancati da contingency plans convincenti

RIASSUNTO: ALCUNI SPUNTI

Entusiasmo e determinazione durante la scrittura del proposal (attività molto faticosa e time-consuming a fronte di una fortissima competizione internazionale e una bassa percentuale di successo)

Costruzione di un consorzio forte, multi-nazionale, in cui tutti i partecipanti abbiano un ruolo definito e non ridondante

I progetti europei sono, probabilmente, tra i migliori strumenti a disposizione per: Fare ricerca innovativa di qualità

Conquistare finanziamenti che contribuiscono anche alla crescita,

numerica e professionale, dei gruppi di ricerca

Espandere il proprio partenariato internazionale

Migliorare la visione generale della propria ricerca in contesti più ampi, specie in caso di settori fortemente interdisciplinari e in caso di coordinamento del progetto

CONCLUSIONI: Perché applicare per progetti europei

Anna Tampieri Simone Sprio Silvia Panseri Monica Sandri Andrea Ruffini Michele Iafisco Alberto Nicoli Silvia Minardi Massimiliano Dapporto Elisa Savini Monica Montesi Martina Ghetti Alessio Adamiano

Bioceramics and Bio-hybrid Composites Group