Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti · 2019. 6. 18. · Materiali polimerici per...

Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti

Roberto De Santis

Istituto per I Materiali Compositi e Biomedici, P.le Tecchio 80, 80125 Napoli, Italy


Modulo• Ingegneria dei tessuti e scaffold

• Materiali naturali

• Materiali sintetici e tecnologie

• Reverse Engineering & Rapid Prototyping

• Rigenerazione dei tessuti densi (menisco)

• Bioreattori

• Rigenerazione dei tessuti ossei (mandibola)

• Rigenerazione dei denti


Fabrici d'Acquapendente(1537-1619)

(1900-oggi)

(olimpiadi 2008)

(1990-oggi)

Dalla chirurgia protesica permanente alla medicina rigenerativa

http://vjco.it/one/fabrici.gif

Ingegneria dei TessutiL’ingegneria dei tessuti è un campo interdisciplinare che applica i principi dell’ingegneria e scienza della vita per lo sviluppo di sostituti biologici che riparino, mantengano o

migliorino funzioni tissutali o interi organi


systematic and coherent incorporation

and integration of other disciplines,

including cell biology, molecular biology,

materials science, and engineering

Langer R & Vacanti JP, Tissue engineering. Science 260, 920-6; 1993

imaging specimen

modeling testing

composite

polymeric scaffoldspolymeric scaffolds

(non-living) biomaterialsbiomaterials

cell seeding

bioreactor

long

term

sta

bilit

ylo

ng te

rm s

tabi

lity

prog

ram

edpr

ogra

med

stab

ility

stab

ilitySynthesis &

Prototyping

MechanicalBiologicalPhysical

Hard & Soft Tissues

Structure

FunctionProperty

naturenaturenature

know how

knowledge

transfer

transfer

Engineering through a Engineering through a multidisciplinary approachmultidisciplinary approach

material science


Ingegneria dei Tessuti

Langer R & Vacanti JP, Tissue engineering. Science 260, 920-6; 1993


Ingegneria dei Tessuti

riparare sostituire o migliorare funzioni (es. Biomeccaniche) di

tessuti danneggiati

Ingegneria dei tessuti utilizza una combinazione di materiali ingegneristici e tecnologie (scaffolds), cellule, fattori biochimici e segnali (fisici e solidi)

Medicina rigenerativa, spesso sinonimo dell’ingegneria dei tessuti, pone più enfasi sulle cellule (cellule staminali) che colonizzano lo scaffold


Rigenerazione dei Tessuti Connettivi

La rigenerazione guidata dei tessuti è un approccio dell’ingegneria dei tessuti basato sull’impiantazione

di scaffolds porosi

Questo approccio spinge l’organismo a produrre matrice extracellulare, sia attirando cellule (es.

osteogenetiche) proprie dell’organismo, sia combinando ex vivo scaffolds con cellule

Vacanti & Vacanti, 1997


Stem cell type Donor Advantage Divantage

AutologousAutologous The same individual to whom they will be implanted

Less problems with immune rejection and pathogen transmission

In some cases donor cells may not be available, such as in very ill or elderly people

AllogenicAllogenic An individual who shares the same species of the acceptor

Reduction of waitingperiod for finishedreplacement tissuesOpportunity toharvest healthy cells

Risks of immune rejection and pathogen transmissionEthical and legal constraints concerning the use of human cell lines

XenogenicXenogenic An individual of another species than the acceptor

Fewer legal and ethical issuesassociated withsourching cells

High potential for immune rejection and pathogen transmission from the donor animal to the human recipient


Cellule Staminali

Stem cell type Source CapacityTotipotentTotipotent The fertilized egg produce all embryonic and extraembryonic

tissuesEach cell can develop into a new individual

PluripotentPluripotent The inner cell mass of the blastocyst

(embrionic stem cell)

form all the body’s cell lineages, includinggerm cells and extraembrionic cell types

MultipotentMultipotentFetalFetal StemStem CellCell

The three embryonic germ layers (ectoderm,

mesoderm and endoderm)

To generate multi-lineages that constitute diverse organ tissues.

MultipotentMultipotentAdultAdult StemStem CellCell

Most tissues in the adult organism

To maintain a stem cell pool by self-replication, and generate more committed

progenitors, with potential to generate multi-lineages.

Cellule StaminaliMateriali polimerici per l’ingegneria dei tessuti

pluripotentipluripotenti

multipotentimultipotenti

multipotentimultipotenti

Cellule StaminaliMateriali polimerici per l’ingegneria dei tessuti

Scaffolds• Alta porosità e adeguate dimensioni dei pori per facilitare la semina cellulare

e la diffusione nella struttura di cellule e nutrienti

• Resistenza strutturale per supportare carichi esterni e trasferire i segnali meccanici alle cellule

• Proprietà superficiali per promuovere adesione, migrazione, proliferazione e differenziazione delle cellule

• L’iniettabilità è richiesta per alcune applicazioni cliniche e tecnologiche (bioplotter)

Uno scaffold combina diverse proprietà strutturali e funzionali:

1m 10-4m


SELEZIONEDELLE CELLULE

SELEZIONESELEZIONEDELLE CELLULEDELLE CELLULE

SCAFFOLDTRIDIMENSIONALE

SCAFFOLDSCAFFOLDTRIDIMENSIONALETRIDIMENSIONALE

COLTURA IN VITROBIOREATTORI

COLTURA IN VITROCOLTURA IN VITROBIOREATTORIBIOREATTORI

COLTURA IN VIVOIMPIANTO

COLTURA IN VIVOCOLTURA IN VIVOIMPIANTOIMPIANTO

INGEGNERIA DEI

TESSUTI

INGEGNERIA INGEGNERIA DEI DEI

TESSUTITESSUTI


MORFOLOGIAMORFOLOGIAMORFOLOGIA

POROSITA’POROSITAPOROSITA’’

PROPRIETA’ MECCANICHEPROPRIETAPROPRIETA’’ MECCANICHEMECCANICHE

RISPOSTA BIOLOGICARISPOSTA BIOLOGICARISPOSTA BIOLOGICA

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

PCL

Stre

ss (M

Pa)

Strain (mm/mm)

OTTIMIZZAZIONEDELLO

SCAFFOLD

OTTIMIZZAZIONEOTTIMIZZAZIONEDELLO DELLO

SCAFFOLDSCAFFOLD


MORFOLOGIAMORFOLOGIAMORFOLOGIA PROPRIETA’ MECCANICHEPROPRIETAPROPRIETA’’ MECCANICHEMECCANICHE REQUISITI BIOLOGICIREQUISITI BIOLOGICIREQUISITI BIOLOGICI

ElevatoElevato gradogrado didi porositporositàà(> 80%)(> 80%)ElevataElevata interconnessioneinterconnessionedeidei poriporiControlloControllo dimensionaledimensionale deideiporipori

RispostaRisposta meccanicameccanica adeguataadeguataa a sosteneresostenere la la pressionepressioneidrostaticaidrostatica e e preservarepreservare la la geometriageometria deidei poripori richiestarichiestaper la per la crescitacrescita cellularecellularedurantedurante le le fasifasi didi colturacoltura in in vitro.vitro.

BiocompatibilitBiocompatibilitàà

OsteoconduzioneOsteoconduzione

OsteoinduzioneOsteoinduzione

VelocitVelocitàà didi degradazionedegradazioneconfrontabileconfrontabile con la con la velocitvelocitàà didi formazioneformazione didinuovonuovo tessutotessuto..

Pori Pori grandigrandi::per per adesioneadesione e e proliferazioneproliferazionecellularecellulare ((eses. . osteblastiosteblasti): ):

150150--300300µµm m 100100--400400µµm m

Pori Pori piccolipiccoli::per per ilil trasportotrasporto didi sostanzesostanzenutritive, nutritive, rimozionerimozione delledellesostanzesostanze didi rifiutorifiuto e e rilasciorilasciodidi fattorifattori didi crescitacrescita

0.10.1--10 10 µµm m


Molly M. Stevens. MaterialsToday 2008


Le cellule mesenchimali preferiscono un disordine!

• Permettere la vitalità cellulare e l’evoluzione rilasciando e trattenendo cellule e fattori biochimici

• Consentire la diffusione di nutrienti e prodotti espressi

• Manifestare caratteristiche meccaniche (meccanotrasduzione) e biologiche per modificare il comportamento della fase cellulare

Principali funzioni di uno scaffold:

ScaffoldsMateriali polimerici per l’ingegneria dei tessuti


La meccanotrasduzione (mechanotransduction), rappresenta la conversione di uno stimolo meccanico in un segnale (es. elettrico) che risulta cruciale per il mantenimento ed il corretto equilibrio del tessuto naturale (es. cellule sensoriali nell’orecchio, processi citoplasmatici degli osteociti)

Ulrich Muller. Cadherins and mechanotransduction by hair cells. Current Opinion in Cell Biology 2008, 20:557–566

Meccanotrasduzione

Mechanotransductionchannels are located at both ends of a tip link and connected to the cytoskeleton

Il meccanismo meccano-sensoriale dell’osso include

1. La cellula stimolata da carichimeccanici applicati all’osso;

2. Il sistema che trasduce ilsegnale meccanico in un segnale comunicabile;

3. Il sistema che trasmette ilsegnale a cellule (osteoblasti) per il mantenimentodell’omeostasi dell’osso

10μm

Network formato da osteociti di topo

Stephen C. Cowin. The significance of bone microstructure in mechanotransduction. Journal of Biomechanics 40 (2007) S105–S109


Meccanotrasduzione


I quattro componenti strutturali per la meccano-trasduzione nel tessuto osseo sono:

1.I filamenti trasversali nella matrice pericellulare che ancorano e centrano il processo dell’osteocita nel suo canaliculo;

2.La matrice organica (fluidi interstiziali) adesa ai filamenti trasversali che riempie lo spazio circostante l’osteocita e che esercita rilascia forze indotte da flussi sui filamenti trasversali;

3.La struttura citoscheletrica che resiste a sforzi di trazione e flessione

4.Proteine ed altre molecole della trans membrana che trasmettono le tensioni meccaniche indotte nei filamenti trasversali all’actina del citoscheletro nella cellulaStephen C. Cowin. The significance of bone microstructure in mechanotransduction. Journal of Biomechanics 40 (2007) S105–S109

Elas

ticity

Viscosity

Bone/Dentine

HARD TISSUE SOFT TISSUE

Intervertebral Disc

Synovial Fluids

Hyaluronian

PMMA

COMPOSITE

CaP, HA, Al2O3,TiO2

PLA/PGA

Ligament/Tendon

Analisi Dinamico Meccanica

Test Statici Reologia

Hookeano Newtoniano

GelsFibers (C, G, etc.)


Meniscus

PCLBis-GMA

VISCOELASTICITÀ

RheologyRheology is the science of flow and is the science of flow and deformation of matter and describes the deformation of matter and describes the interrelation between force, deformation interrelation between force, deformation

and timeand time

The term comes from Greek The term comes from Greek rheosrheosmeaning to flowmeaning to flow

ηη= = shearshear stress /stress /shearshear raterateViscosityViscosity

Elasticity is the tendency of Elasticity is the tendency of matter to return to itmatter to return to it’’s original s original shape or size after having been shape or size after having been

deformeddeformed

rP

rP

brittle

ductile

rP

rP

P

P

P

MT

MT

Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessutiVISCOELASTICITÀ

τ=ηε.

IMPOSED SINUSOIDAL OSCILLATIONIMPOSED SINUSOIDAL OSCILLATIONγ= γ0 sin ω t

VISCOELASTIC RESPONSEVISCOELASTIC RESPONSE

τ (τ (t) t) ==GG∗ ∗ γγ00sin (sin (ω ω t+t+δδ))

τ (t) =G*(ω) cos δ γγ00sin (ω t) + G*(ω) sin δ γγ00 cos(ω t)

GG’’ ((ωω)) = G∗ cos δ Dynamic storage (elastic) modulus

GG’’’’ ((ωω)) = G∗ sin δDynamic loss (viscous) modulus

tan δ = G’’/G’Loss tangent

ω: frequency of oscillationδ: loss angle

τ: Shear stress σ: normal stress γ: Shear strain ε: normal strain

Torsional OscillatoryRheometer

ατ, γ

Tensile, Bending and TorsionalOscillatory Dynamometer

σ, ετ, θσ, ε

τ(t)γ(t)

τ, γ δ

Oscillation around zero Oscillation around a mean level

G* Complex modulusG’ Storage modulusG” Storage modulus

E* Complex modulusE’ Storage modulusE” Storage modulus

σ(t)ε(t)

δσ, ε


VISCOELASTICITÀ

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