Scaffold e tecnologie di preparazione. Docente: Prof. Alessandro Sannino

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1 Scaffold e tecnologie di preparazione Docente: Prof. Alessandro Sannino

2 1. Introduzione 2. Funzioni dello scaffold 3. Criteri di progettazione dello scaffold 4. Porosità e tecniche di analisi 5. Materiali e tecniche di processing

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4 Il tessuto deve essere prodotto in vitro o in vivo? Che scaffold si deve usare? - Materiale, struttura porosa, velocità di riassorbimento, proprietà meccaniche? - Come deve essere prodotto? Quali cellule devono essere usate (se necessarie)? - Sorgente cellulare? - Sotto quali condizioni le cellule possono essere espanse in vitro senza che perdano il loro fenotipo? Quali regolatori sono richiesti per stimolare la proliferazione cellulare e la sintesi di matrice extracellulare e/o facilitare la differenziazione di cellule staminali?

5 1) prima di essere riassorbito, agisce come matrice per l adesione cellulare al fine di regolare alcuni processi/funzioni cellulari (e.g. mitosi, sintesi, migrazione, contrazione) delle cellule in vivo o di cellule seminate in vitro 2) rinforza il difetto, mantenendone la forma e prevenendo la distorsione del tessuto circostante 3) funge da barriera per prevenire l ingresso di tessuto circostante nel difetto 4) funge da mezzo per la veicolazione in situ di cellule, fattori di crescita e geni

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7 LEZIONE XVIII SCAFFOLDS

8 bioattività

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10 Struttura porosa Lo scaffold può regolare le funzioni cellulari attraverso la sua architettura Percentuale di porosità - Numero di cellule che possono aderire - Resistenza meccanica del materiale Diametro dei pori - Area superficiale e numero di cellule aderite - Infiltrazione cellulare nei pori Interconnettività dei pori Orientazione dei pori - Può direzionare la migrazione e la biosintesi La forma e le dimensioni devono rispecchiare il difetto

11 Porosità (Pore Volume Fraction) Dimensione dei pori Interconnettività ρ s = scaffold density ρ = density of bulk material Scaffold bioattivi hanno tipicamente P>80% SAV Surface Area per unit Volume Adesione cellulare

12 E s = scaffold modulus E= modulus of bulk material C 1 = constant depending on pore shape (~1)

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15 a, b = assi dell ellisse

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17 Il grado di interconnessione può essere stimato quantitativamente per via indiretta attraverso misure di permeabilità idraulica LEGGE DI DARCY MISURA DIRETTA DELLA PERMEABILITA k permeabilità Q portata volumetrica Δp gradiente di pressione A area trasversale del campione l spessore del campione nella direzione del flusso µ viscosità del fluido PORI INTERCONNESSI CONFERISCONO PERMEABILITA

18 La permeabilità di un mezzo poroso dipende dalla particolare struttura porosa: EQUAZIONE DI KOZENY P porosità (pore volume fraction) SAV area superficiale T tortuosità (>1) Le lunghezza media del tratto percorso dal fluido L spessore del campione

19 MODULAZIONE DELLA MICROSTRUTTURA

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25 Phase diagram of water physical/phaseeqia/ phasediags.html Control of pore size and pore orientation Freezing rate T O Brien F.J., et al. (2004), Biomaterials 25, Growing direction of ice crystals Chamberlain L.J. (1998), Ph. D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology

26 STADIO INIZIALE: CONTATTO TRA LE PARTICELLE, FORMAZIONE DI COLLETTI. STADIO FINALE: MATRICE CONTINUA CON OCCLUSIONE DEGLI INTERSTIZI FORMATISI TRA LE PARTICELLE.

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36 Fonti radianti pilotate da sistemi computerizzati che innescano le reazioni chimiche dei monomeri ad esse sensibili. Fotopolimerizzazione via laser layer by layer (indurimento del 60%) Indurimento completo (forni UV) Finitura superficiale (curing) Il suo uso è fortemente limitato: applicabile solo ad alcuni polimeri fotosensibili (PEG acrilato, PEG metacrilato, polissaccaridi tipo acido ialuronico e destrano) mentre non è adottato nel caso di metalli, ceramiche o altri compositi.

37 Sinterizzazione selettiva di polveri polimero/ceramico, metallo multifase) mediante raggio laser per strati successivi di materiale. Prima della sinterizzazione, l intero letto è riscaldato ad una temperatura giusto al di sotto di quella di fusione del materiale in modo da minimizzare la dispersione termica e la facilitare la fusione degli strati realizzati. La fusione degli strati, che sono impilati uno sull altro, determina l altezza dell oggetto 3D finale. VANTAGGI Maggiore economicità (rispetto alle resine utilizzate per il processo di stereolitografia) Nessun solvente tossici laser a potenza relativamente bassa. LIMITI Lunghi raffreddamenti all interno della macchina prima di poter essere rimossi (12 h). L esposizione ai raggi laser può favorire processi di degradazione, scissione dei crosslinks e ossidazione.

38 L elettrospinning è un processo di produzione di fibre polimeriche che sfrutta le forze di natura elettrostatica che si generano in un fuso polimerico o in una soluzione polimerica a seguito dell applicazione di tensioni molto elevate dell ordine dei kilovolt. A differenza delle convenzionali tecniche di filatura delle fibre (wet spinning, dry spinning, melt spinning, gel spinning, etc.) capaci di realizzare fibre polimeriche con diametro dell ordine dei micron, l elettrospinning è in grado di produrre fibre nanometriche.

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41 ROTTURA DEL GETTO Formazione di getti di diametro inferiore dovuti ad una eccessiva densità di carica. FENOMENI DI INSTABILITA

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