Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti · 2019. 6. 18. · Materiali polimerici per...
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Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
Roberto De Santis
Istituto per I Materiali Compositi e Biomedici, P.le Tecchio 80, 80125 Napoli, Italy
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
Fabrici d'Acquapendente(1537-1619)
(1900-oggi)
(olimpiadi 2008)
(1990-oggi)
Dalla chirurgia protesica permanente alla medicina rigenerativa
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
Ingegneria dei Tessuti
Langer R & Vacanti JP, Tissue engineering. Science 260, 920-6; 1993
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
Molly M. Stevens. MaterialsToday 2008
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
Materiali 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
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
Meccanotrasduzione
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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.)
Materiali polimerici per l’ingegneria dei tessuti
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
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VISCOELASTICITÀ