SCAFFOLD BIOMIMETICI PER LA RIGENERAZIONE OSSEA

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1 SCAFFOLD BIOMIMETICI PER LA RIGENERAZIONE OSSEA Carlo Santulli Università degli Studi di Roma - La Sapienza Dipartimento di Ingegneria Elettrica Via Eudossiana Roma carlo.santulli@uniroma1.it SOMMARIO Tipi di cellule Caratteristiche scaffold Metodi di produzione scaffold Esempi biomimetici: ossi di seppia, molluschi, corallo

2 FASI SVILUPPO BIOMATERIALI Sostitutiva Ricostruttiva Rigenerativa Notevole uso di leghe metalliche (es. in titanio) concentrazione sulla funzionalità da sostituire e valutazione empirica della biocompatibilità Supporto al recupero della funzione perduta con utilizzo di scaffold in materiali il più possibile porosi e biocompatibili (polimeri per ricostruzione tessutale, ceramici per ricostruzione ossea) Biocompatibilità naturale di strutture assemblantesi in modo gerarchizzato (materiali naturali)

3 CELLULE PER RIGENERAZIONE

4 APPROCCI GENERALI MEDICINA RIGENERATIVA Impianto di cellule autologhe che includono cellule staminali e cellule-precursori (specifiche per tessuto) Sistemi extra-corporei di supporto durante la fase rigenerativa Applicazione di agenti farmaceutici per promuovere la rigenerazione cellulare autologa

5 INNESTI OSSEI (BONE GRAFTS) L'innesto osseo è ogni materiale impiantato che da solo od in combinazione con altri materiali promuove una risposta curativa fornendo attività osteogenica, osteoconduttiva o osteoinduttiva ad un sito locale. L'attività osteogenica è l'abilità di sintetizzare nuovo tessuto osseo attraverso cellule ossee vive contenute nell'innesto o nel sito dell'innesto (tramite osteoblasti allineati, o cellule staminali mesenchimali (precursori indotti, che diventano cellule ossee attraverso fattori di crescita) L'attività osteoconduttiva è la proprietà fisica di un materiale di innesto che permette la vascolarizzazione e l'infiltrazione di cellule precursori. L'attività osteoinduttiva è la capacità di stimolare la formazione dell'osso attraverso stimoli biologici, che inducono cellule locali o trapiantate ad iniziare un processo di differenziazione, che porti ad osteoblasti maturi.

6 CARATTERISTICHE SCAFFOLD OSSEI Nel caso del tessuto osseo lo scaffold deve essere mineralizzato e deve essere poroso per permettere la migrazione delle cellule osetogenetiche e per permettere lo sviluppo vascolare. Gli scaffolds porosi mineralizzati vengono ottenuti da fonti naturali quali corallo o osso naturale o sono completamente sintetici. Normalmente hanno di per se stessi capacità osteoconduttive, solo in alcuni casi hanno capacità osteoinduttive, come nel caso di scaffold in fosfato di calcio, e osteogenetiche. Materiali per scaffold ossei sono normalmente ceramici, come idrossiapatite o fosfato di calcio, a volte si utilizzano anche compositi p.es. acido polilattico(pla)/ carbonato di calcio o PLA/collagene/idrossiapatite (compositi gerarchizzati)

7 TIPI DI FRATTURA DELL'OSSO Lo sviluppo dell'innesto osseo sugli scaffold deve essere il più possibile adattato al tipo di frattura e quindi alla compensazione della sollecitazione che l'ha prodotta

8 SCELTA BIOMATERIALI PER SCAFFOLD DALLE PROPRIETA' MECCANICHE (diagrammi di Ashby-Wegst) In pratica gli approcci possono essere o quello di avere uno scaffold leggero e biodegradabile (polimeri bio-erodibili, p.es. acido polilattico,pla; policaprolattone, PCL; acido poliglicolico, PGA) oppure avere uno scaffold che rappresenta un supporto reale all'innesto osseo, cioè un derivato dal carbonato di calcio (calcite, aragonite) o direttamente idrossiapatite

9 ESEMPIO DI SCAFFOLD COMPOSITO: SPUGNA IBRIDA PLLA/COLLAGENE

10 PROGETTAZIONE SCAFFOLD

11 CRESCITA DELL'OSSO NELLO SCAFFOLD La crescita dell'osso nello scaffold essendo tipicamente disomogenea, è richiesto il controllo di una serie di variabili: macroporosità, proprietà di attacco cellulare, fattore di crescita, bio-degradazione e proprietà meccaniche. Il controllo accurato di queste caratteristiche basato sul tessuto originario dovrebbe permettere la crescita delle cellule attraverso competizione cellulare locale.

12 SUPERFICI AUTOPULENTI PER SCAFFOLD IN PLLA/DIOSSANO La superidrofobicità è basata sull'effetto loto (Nelumbo Nucifera), in pratica la creazione di una tensione superficiale negativa (con angolo di contatto ottuso) dovuto alla nanostruttura della superficie

13 SPIEGAZIONE DELL EFFETTO LOTO (Barthlott, 1993) L effetto nasce poiché le foglie del loto hanno una struttura superficiale molto fine e sono rivestite di cristalli di cera idrofobica di diametro circa 1 nanometro. Nella scala del nanometro, le superfici ruvide tendono ad essere più idrofobiche di quelle lisce, a causa della ridotta area di contatto tra l acqua ed il solido. Nella pianta del loto, la superficie reale di contatto è solo il 2-3% della superficie ricoperta dalle gocce. Questa nanostruttura ruvida è essenziale per l effetto autopulente: su una superficie idrofobica liscia, le goccioline di acqua slittano piuttosto che rotolare e non raccolgono lo sporco con la stessa efficacia.

14 ALCUNE TECNICHE DI PRODUZIONE DEGLI SCAFFOLD Tecniche Materiali utilizzati Costo Fotolitografia Silicone, silano, polietilenglicole, Alto fattori di adesione (proteinici), oltre a sviluppatori fotografici Risoluzione (μm) Tipi di celle Limiti 5 Varie Rilascio sostanze tossiche Litografia convenzionale Silicone, polidimetilsilossano, Alto fattori di adesione (proteinici), altri polimeri bioerodibili, oltre a sviluppatori fotografici 30 Varie Geometrie non ben definite; formazione di menischi Laminazione a membrana Polimeri bioerodibili, bioceramici Medio 150 Osteoblasti Poca porosità Stampaggio 3D Polimeri bioerodibili Medio 300 Varie Rischio di presenza di grani polimerici ed eccesso di solvente Laser sinterizzazione Fosfati di calcio Medio < 400 Osteoblasti Rischio di presenza di grani polimerici ed eccesso di solvente Foto modellizzazione Resine fotopolimerizzate Medio 70 Osteoblasti Uso di polimeri non biocompatibili Modellizzazione per deposizione del fuso Polimeri bioerodibili Medio-basso Varie Alterazioni chimico-fisiche del polimero Modellizzazione multijet Polimeri bioerodibili Medio-basso 50 Varie Rischio di interazione tra le diverse soluzioni usate Microsiringa in pressione Polimeri bioerodibili, idrogel Medio-basso 5-10 Neuronali, endoteliali, fibroblasti Non adatto per materiali molto idrosolubili

15 STEREOLITOGRAFIA La stereolitografia utilizza resina polimerizzabile per ultravioletti ed un Laser a raggi ultravioletti per costruire uno strato alla volta della parte richiesta. Su ogni strato, il raggio Laser traccia la sezione sulla superficie della resina liquida, poi l'esposizione al raggio Laser permette la polimerizzazione e l'adesione allo strato sottostante. Dopo il tracciamento della sezione, la piattaforma scende dello spessore di uno strato (tra 0.05 e 0.15 mm) e ripete l'operazione.

16 SINTERIZZAZIONE LASER SELETTIVA La "sinterizzazione selettiva Laser" utilizza un Laser ad alta potenza (per esempio ad anidride carbonica) per fondere piccole quantità polverizzate della sostanza che deve produrre il prototipo. Le quantità vengono fuse in modo selettivo, strato per strato, secondo un piano fornito da una descrizione tridimensionale dell'oggetto implementata sul sistema Laser.

17 METODI DI STAMPAGGIO

18 FONTI NATURALI PER SCAFFOLD OSSEI Corallo: Gli esoscheletri dei coralli sono costituiti da carbonato di calcio. E' possibile sia utilizzarli, una volta purificati, come innesti ossei, che come fonti di Idrossiapatite, trasformando il carbonato di calcio con la reazione idrotermica: Ossi di seppia: Sempre costituiti da carbonato di calcio (aragonite), Sono stati utilizzati come scaffold, anche con formazione di idrossiapatite e sostituzione degli idrossidi con fluoro (fluoroapatite) per renderli più simili all'osso, secondo la reazione: Molluschi: Conchiglie costituite da carbonato di calcio con piccole quantità di materiale proteico come collante

19 IDROSSIAPATITE DAL CORALLO Porosità di tipo tubolare evidenziate dalle micrografie, altre specie di coralli evidenziano porosità a fessura. Attraverso le prove di intrusione con mercurio si determinano le dimensioni medie dei pori, la distribuzione, la densità complessiva (escluse le porosità) e quella reale. Creazione di scaffold a base di corallo e PCL (policaprolattone) col metodo del salt leaching (per modellare le porosità sulle necessità della struttura)

20 STRUTTURA OSSO DI SEPPIA Le particolari caratteristiche che rendono interessanti gli ossi di seppia, oltre che la specifica simmetria retta, utilizzata per il galleggiamento a profondità fissa, è la presenza di canali curvi e strutture di interconnettività tra le porosità, che facilitano potenzialmente l'innesto dell'osso. Altro utilizzo recentemente investigato per gli ossi di seppia (e connesso con la simmetria strutturale) è l'uso come super conduttori. In effetti è stata rilevata una densità di corrente critica maggiore di quasi due ordini di grandezza rispetto ad un comune superconduttore commerciale, come la polvere di Y123 (Y1Ba2Cu3Ox) con una temperatura critica di 92 K, tuttavia i superconduttori in osso di seppia hanno notevole fragilità, per cui si pensa a trattamenti superficiali, come la nitrurazione.

21 ABALONE COME MATERIALE PER SCAFFOLD (struttura a mattoni di carbonato di calcio, lunghi circa 10 micron, con sezione circa quadrata di 0.5 micron di lato, intersecati e disposti a spirale in simmetria tridimensionale: la proteina agisce come collante) Tipica struttura della conchiglia di abalone a spirale quasi logaritmica La conchiglia dell'abalone è un esempio di ceramico tenace In quanto le unità strutturali sono capaci di scivolare l'una rispetto all'altra, resistendo alla formazione delle fratture.

22 IDROSSIAPATITE DAI MOLLUSCHI Questa struttura, detta lamellare incrociata, con tre strati di spessore uniforme, ricorda l'allineamento delle fibre nel legno o i compositi cross-ply, ed è quindi tendente ad una quasi-isotropia

23 SVILUPPI FUTURI Idealmente, per riprodurre l'osso, si devono raggiungere le seguenti caratteristiche: Auto-assemblaggio Struttura gerarchica Produzione a temperatura ambiente usando acqua come unico solvente Multifunzionalità (anche dal punto di vista meccanico) Auto-riparazione (anche se lenta e non sempre efficace, in dipendenza dall'ambiente) In termini di biomateriali, la scelta di utilizzare materiali naturali in modo biomimetico esclude l'utilizzo dei metalli (non sempre processabili a temperatura ambiente)