Ingegneria tissutale Flashcards
introduzione di ingegneria tissutale, tecniche di lavorazione e test di biocompatibilità
INGEGNERIA TISSUTALE
è un campo interdisciplinare che applica i principi della bioingegneria, della scienza dei materiali e delle scienze della vita per ottenere sostituti biologici che ripristino, mantengano o migliorino le funzioni di un tessuto o di un organo.
Quindi, si occupa dello studio e della ricostruzione di tre componenti principali:
- cellule: che andranno a formare i tessuti;
- supporti di crescita per le cellule: uno SCAFFOLD è un supporto o una matrice realizzata per facilitar la migrazione, l’adesione, la crescita di cellule o il trasporto di agenti bioattivi. Possono essere sia 2D (piastre di coltura) che 3D (realizzati con materiale polimerico);
- ambiente di sviluppo: bioreattore che applica alle cellule degli scaffold stessi stimoli a cui sono sottoposte all’interno del corpo umano.
PROPRIETA’ MECCANICHE DEI TESSUTI
il modulo elastico delle cellule varia al variare del tipo di tessuto.
All’aumentare del modulo elastico aumenta la rigidità:
fluido, sangue o mucus –> neurale –> polmoni –> seno –> tessuto endoteliale –> tessuto stromale –> muscolo liscio –> muscolo scheletrico –> cartilagine –> tessuto osseo.
In generale, i tessuti possono essere suddivisi in due categorie in base al comportamento che hanno nel grafico tensione-deformazione:
- tessuti rigidi (osso, dentina): E alto, sigma alto, epsilon basso;
- tessuti molli (legamenti, cartilagine): E basso, sigma basso, epsilon alto.
SCAFFOLD
è un supporto o una matrice realizzato per facilitare la migrazione, l’adesione o il trasporto cellulare e agenti bioattivi. Deve anche costituire un microambiente tridimensionale stabile con una porosità sufficiente da permettere la crescita cellulare all’interno della struttura.
La progettazione dello scaffold inizia con una accurata selezione del biomateriale e del metodo di fabbricazione, in modo da
ottenere tempo di degradazione e proprietà meccaniche desiderate.
I polimeri usati per costruirli sono di due tipi:
- naturali, la cui origine viene da un materiale biologico;
- sintetici, interamente sintetizzati o prodotti.
Una combinazione di materiali naturali e sintetici permette di ottenere uno scaffold con eccellente bioattività
e adeguate proprietà meccaniche.
Il biomateriale scelto non deve rilasciare prodotti di degradazione tossici o scatenare una risposta immunogenica o
infiammatoria che potrebbero compromettere il processo di guarigione.
Struttura tridimensionale e porosità devono esser progettate in modo da
permettere la distribuzione di acqua e sostanze nutritive all’interno della
struttura porosa e l’eliminazione delle sostanze metaboliche di scarto.
Per la progettazione di uno scaffold che imita un certo tipo di tessuto, è importante la distinzione:
- tessuto anisotropo: reagisce in una direzione preferenziale;
- tessuto isotropo: reagisce allo stesso modo in tutte le direzioni.
REQUISITI DEGLI SCAFFOLD
- BIOCOMPATIBILITA’: le cellule devono poter aderire e migrare attraverso la superficie ed eventualmente attraverso lo scaffold. Devono poi iniziare a proliferare prima di stabilirsi nella nuova matrice. Dopo l’impianto, esso deve provocare una reazione immunitaria trascurabile per evitare che si provochi una risposta infiammatoria così forte da ridurre la guarigione.
- BIODEGRADIBILITA’: non sono impianti permanenti; deve essere biodegradabile così da permettere alle cellule di produrre la propria matrice extracellulare. I sottoprodotti della degradazione devono essere non tossici e in grado di uscire dall’organismo.
Per permettere la degradazione e formare il tessuto autonomamente, è necessaria una risposta infiammatoria combinata con l’infusione controllata di cellule. - PROPRIETA’ MECCANICHE: idealmente compatibili con il sito in cui verrà impiantato e deve essere abbastanza resistente da permettere l’operazione chirurgica durante l’impianto. Vi è un equilibrio tra proprietà meccaniche e architettura porosa sufficiente a consentire l’infiltrazione cellulare e la vascolarizzazione.
POLIMERI SINTETICI
uno è l’acido polilattico (PLA).
Caratteristiche:
- biodegradabile;
- rigidezza proporzionale alla sua porosità (tendenzialmente molto rigido);
- tempo di degradazione: 12-18 settimane;
- ottenibile con stampa 3D;
- può essere impiantato.
POLIMERI NATURALI
uno è l’alginato. E’ un polimero naturale che viene estratto da alghe.
Caratteristiche:
- biodegradabile;
- rigidezza proporzionale alla porosità;
- ottenibile con stampa 3D;
- si possono incorporare cellule da studiare mentre il materiale è in formazione.
struttura chimica: composto da due monomeri:
- acido mannuronico;
- acido guluronico.
Si possono formare strutture omopolimeriche o copolimeriche, che acquistano le proprietà di entrambi i monomeri.
CROSSLINKING
È un fenomeno reso possibile da un elemento, ione calcio, che permette di legare le catene di alginato passando da uno stato di gel “liquido” a uno più solido.
Per fornire calcio si può utilizzare:
- cloruro di calcio in soluzione: GELAZIONE ESTERNA. Il calcio viene attratto dalle catene libere e si stacca dal cloruro. Problema: processo
molto lungo perché richiede diffusione passiva.
- carbonato di calcio in polvere: GELAZIONE INTERNA. Il carbonato di calcio reagisce solamente in presenza di un reagente GDL che è in grado di scindere lo ione carbonato dal calcio.
CONFRONTO GEL. INTERNA ED ESTERNA
Volendo realizzare uno scaffold 5x5mm si mettono a confronto i due metodi:
- gelazione esterna: Si ottiene un prodotto instabile (esterno solido e interno liquido) perché la dimensione è troppo grande per
essere realizzata con questo metodo;
- gelazione interna: Se si eccede con la concentrazione di carbonato di calcio (che aumenta la densità e migliora proprietà meccaniche), si può notare un aumento della produzione di CO2 come prodotto di scarto. Ciò causa instabilità.
STAMPA 3D
È una tecnica innovativa di produzione e lavorazione di materiali che permette la realizzazione accurata fino all’ordine del
nanometro. Esistono varie tecniche:
- tecnica a getto di inchiostro;
- tecnica fused deposition modeling fdm;
- selective laser sintering;
- stereolitografia sla;
- stampa 3d biologica.
TECNICA A GETTO D’INCHIOSTRO
Il polimero in polvere si trova all’interno di un piatto (powder delivery platform) che scorre lungo l’asse z ed è in grado di rilasciare una certa quantità di polvere (strato che definisce la risoluzione) alla volta. A ogni strato, una cartuccia che contiene il liquido cross-linkante è collegata a una testina che rilascia una certa quantità in modo tale da solidificare la polvere nella forma desiderata.
Infine, viene eliminata la polvere in eccesso.
TECNICA FUSED DEPOSITION MODELING FDM
Si basa sulla deposizione di filamenti di polimero termoplastico su un supporto piano e va a generare la struttura dal basso verso l’alto: anche in questo caso la piastra con la polvere polimerica si muove lungo l’asse z, mentre la testa non contiene più liquido ma va a scaldare il polimero fino alla temperatura di rammollimento del polimero. La testina si muove in modo tale da creare la forma.
Un esempio di polimero usato è l’acido polilattico.
- pro: economica, materiali biocompatibili, buona resistenza meccanica;
- contro: bassa velocità, no materiali trasparenti.
SELECTIVE LASER SINTERING SLS
La stampa funziona in maniera simile alla stampa a getto, ma anziché liquido cross-linkante c’è una testina con un laser, che va a polimerizzare la polvere solo nelle posizioni desiderate per l’oggetto finale.
STEREOLITOGRAFIA SLA
L’SLA utilizza un laser a ultravioletti per polimerizzare (solidificare) una resina fotosensibile liquida in plastica dura, attraverso un processo che prende il nome di fotopolimerizzazione.
La principale applicazione di questa tecnologia è la prototipazione rapida, che permette di ottenere oggetti fisici da testare prima della produzione industriale. Le stampanti SLA possono tuttavia essere
utilizzate in numerosi altri ambiti, come il campo dentistico.
- pro: Materiali trasparenti, biocompatibili, buona resistenza meccanica, alta velocità di stampa, materiali morbidi opachi;
- contro: costosa, rimozione meccanica dei supporti, materiali non riciclabili.
STAMPA 3D BIOLOGICA
Funziona in maniera analoga alla tecnica FDM.
Il polimero di partenza è ad esempio l’alginato, inserito in una siringa, mentre in altre siringhe sono presenti cellule.
Attraverso un regolatore di aria compressa, vengono depositate con grande precisione le cellule nella forma desiderata, poi il polimero e infine un collante, formando uno strato alla volta.
TECNICA A ESTRUSIONE
Il metodo tradizionale di lavorazione di materiale polimerico, a partire da una struttura sferica, viene fuso all’interno di un tubo e poi estruso assumendo diverse forme.
ELETTROSPINNING
L’elettrofilatura è un efficace processo produttivo elettrodinamico utilizzato a livello di ricerca laboratoriale per la produzione di fibre con diametri estremamente ridotti, tipicamente inferiori al micron.
Il principio base dietro questo processo consiste nell’applicazione di una tensione
sufficiente a superare la tensione superficiale della soluzione polimerica, che porta la goccia di polimero che si forma sulla punta dell’ago ad allungarsi in modo da generare fibre molto sottili che, depositandosi, creano un intreccio non
tessuto.
Una volta estruso il polimero in forma liquida, la goccia prende la forma di cono di
Taylor per via dell’influenza del campo elettrico presente.
È molto importante avere un preciso controllo del voltaggio: se è troppo basso il campo elettrico non è in grado di creare un filamento, se è troppo alto si perde il controllo dell’elettrofilato.
POLIMERI USATI:
- riassorbibili;
- inerti;
- naturali.
