SCIENZA DEI MATERIALI E BIOMEDICINA Biomateriali e Ingegneria Tissutale: dalla sostituzione alla rigenerazione di tessuti ed organi

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1 SCIENZA DEI MATERIALI E BIOMEDICINA Biomateriali e Ingegneria Tissutale: dalla sostituzione alla rigenerazione di tessuti ed organi Agnese Magnani Università degli Studi di Siena Dipartimento Farmaco Chimico Tecnologico

2 MATERIALI PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE: BIOMATERIALI Un biomateriale è un materiale che si interfaccia con i sistemi biologici per valutare, trattare, aumentare o sostituire un qualunque tessuto, organo, o funzione dell'organismo Interazioni tra il biomateriale e l'organismo che lo ospita: il biomateriale provoca una risposta biologica dell'organismo, che a sua volta causa un processo di degradazione nel biomateriale stesso. Le interazioni avvengono a diversi livelli: fisico, chimico, molecolare, cellulare. L'ambiente in cui opera un biomateriale è fisiologico, caratterizzato da una notevole attività chimica e da un elevato intervallo di sollecitazioni meccaniche. I biomateriali sono in diretto contatto con i fluidi biologici, ovvero con acqua, con ioni in soluzione e con enzimi, proteine e cellule. Le condizioni chimico-fisiche (ph, temperatura) sono pressoché costanti nel tempo e influenzano il progetto e la "vita" di un biomateriale. Un concetto fondamentale per quanto riguarda i biomateriali è quello di biocompatibilità, che è l'abilità di un materiale di agire determinando un appropriata risposta dell ospite in una data applicazione

3 PROTESI D ANCA ARTRITE FRATTURA ACCIAIO TITANIO IDROSSIAPATITE VHDPE

4 PROTESI VASCOLARE PTFE STENT VASCOLARI ACCIAO LEGA CROMO COBALTO

5 PROTESI VALVOLARE normale bicuspide ANOMALIA CONGENITA Degenerazione senile Malattia reumatica ACCIAIO CARBONE

6 FILO DA SUTURA BIOADSORBIBILE Acido poliglicolico (Dexon, non rivestito) Policaprolattone-co-glicolide (Dexon II, rivestito )

7 EMODIALISI cellulosa polisulfone, il polimetil metacrilato poliacrilonitrile

8 NERVE REGENERATION copolimero di caprolattone

9 CONTESTI CHIRURGIA VASCOLARE MATERIALI Metalli Ceramici Polimeri Compositi CHIRURGIA ORTOPEDICA CHIRURGIA ODONTOIATRICA TRATTAMENTI VASCOLARI NEUROCHIRURGIA RILASCIO CONTROLLATO FARMACI

10 REQUISITI DI UN BIOMATERIALE 1 possedere proprietà meccaniche compatibili con il tipo di applicazione 2 non indurre una risposta infiammatoria o tossica 3 essere metabolizzato dall organismo non appena ha raggiunto il suo scopo, senza lasciare traccia (se bioassorbibile) o essere completamente inerte 4 essere facilmente lavorabile per il raggiungimento del manufatto finale 5 essere sterilizzabile

11 Materiali artificiali come sostituti di tessuti e organi Gli impianti artificiali hanno un tempo di vita limitato e i risultati clinici delle procedure di impianto sono spesso poco efficaci

12 Materiali impiantabili biocompatibili inerti Materiali capaci di stimolare reazioni volute Materiali in grado di stimolare l adesione, la proliferazione e la differenziazione cellulare e quindi la rigenerazione del tessuto o dell organo che sono chiamati a sostituire temporaneamente

13 cellule Ingegneria dei tessuti Un tessuto è costituito da cellule ( building blocks ) che insieme esplicano funzioni specializzate. Nei tessuti le cellule sono coadiuvate nella loro attività da sostanze specifiche sugars lipids tessuto proteins Inside the cell (cytoplasm)

14 Ingegneria dei Tessuti

15 I processi che vanno sotto il nome di ingegneria dei tessuti richiedono: 1. materiali per ospitare colture di cellule che, moltiplicatesi e raggiunta una più o meno completa organizzazione tissutale in vitro, possano essere impiantate nell organismo dal quale sono state prelevate 2. materiali che siano in grado di attivare il processo di proliferazione ed organizzazione direttamente in vivo, in tempi idonei successivi all impianto * Cellule prelevate dal donatore o cellule staminali 1 2 Implantation E garantita l assenza di reazioni immunitarie, perché non si introducono nell organismo cellule estranee

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17 La Cellula Integrine una classe di proteine di membrana 50µm Vuori, K. (1998). Journal of Membrane Biology 165: Primary cortical astrocytes immunoistochemically stained for vinculin (focal contact) (shown in green) and actin filaments (shown inred) (H.G. Craighead et al. 2001) Punti di contatto focali (punti di ancoraggio) composti da cluster integrine Le integrine sono essentiali per l adesione e influenzano le funzioni della cellula

18 Materiali micro e nanostrutturati L ingegneria dei tessuti si basa sulla differenziazione controllata (su scala micro e nanometrica) delle caratteristiche cellulari Controllo della forma cellulare MICRO patterning Controllo dei contatti focali della cellula 100 µm NANO patterning

19 Modifica della chimica di superficie X Poly(L-lysine)-graft-poly(ethylene glycol) PLL-g-PEG-X PEG è resistente all adsorbimento di proteine e quindi esclude l adesione cellulare. Gruppo funzionale (X): peptide Arg-Gly-Asp (RGD) che lega le integrine di membrana

20 Molecular Assembly Patterning by Lift-off (MAPL) 12nm Nb 2 O 5 wafer di vetro o silicio pattern di 1 µm

21 Micro and nano-imprinting PMMA resist Si or glass Nb 2 O 5 Micro stamp Si or glass PMMA Nb 2 O 5 Linee di larghezza 100nm separate di 800nm Si or glass Si or glass Linee di larghezza 100nm a distanza di 300nm le une dalle altre Dots 100nm Ø Nano stamp Si or glass

22 Microscopio a Effetto Tunnel (STM) Microscopio a Forza Atomica (AFM)

23 Microscopia a effetto tunnel Scanning Tunneling Microscopy (STM) Scanning tunneling microscopy è una tecnica sviluppata negli anni 80 che consente di ottenere immagini di superfici solide con una risoluzione atomica Il scanning tunneling microscope (STM) è un microscopio non ottico in cui una sonda elettrica si sposta su una superficie rivelando la debole corrente elettrica (corrente di tunnel) che fluisce tra le due. Il STM consente di visualizzare regioni di elevata densità elettronica e quindi la posizione di singoli atomi e molecole sulla superficie di un reticolo Il STM è in grado di ottenere immagini di superfici conduttrici su scala atomica ( m, 0.2 nanometri) e può anche essere usato per manipolare singoli atomi, indurre reazioni chimiche, produrre ioni da atomi o molecole rimuovendo o addizionando singoli elettroni

24 Microscopia a Forza Atomica (AFM) Una punta si muove sulla superficie del campione ed i cambiamenti nella posizione verticale (asse z) riflettono la topografia della superficie. Registrando le differenze in altezza come una serie di linee è possibile ottenere una mappa tridimensionale della superficie in esame

25 Il microscopio STM fornisce immagini su scala atomica. I profili tridimensionali delle superfici ottenuti tramite STM sono molto utili per la caratterizzazione di queste in termini di rugosità superficiale, per osservarne i difetti e determinare la dimensione e la conformazione di molecole e aggregati depositati o legati alla superficie. Cs su GaAs Cr Pt

26 Crescita di Pb su Cu Cristalli di NaCl

27 Adsorbimento di O 2 su Al Immagine ottenuta a -190 C

28 Microscopia a Forza Atomica (AFM) singoli atomi singole molecole Grafite Molecole di DNA su una superficie di mica Superficie di un film proteico Cromosomi umani

29 Nanotubi di Carbonio STM Image 7 nm AFM Image

30 SWNTs incapsulati in DNA Immagine AFM

31 SPM di SWNTs incapsulati in DNA su superfici di Si UHV STM of ssdna-nt on Si(100)-2x1:H Ambient AFM of ssdna-nt on Si(111)-1x1:H Pitch ~12 nm Pitch ~12 nm Immagine STM Immagine AFM

32 AFM 1.2 nm Line Width: 1 Line Type: Hori Vert Var Line 1: 183 File Information: Zmin: 0.0 nm Zmax: nm Scan Range: 50 µm Result: Z Data Point1: Point2: Diff: Pt Angle: 527 nm Line1 Line2 Line3 X(µm) Y(µm) Z(nm) X(µm) Y(µm) Z(nm) X(µm) Y(µm) Z(nm) Length: µm nm Resolution: 200 x Enlarge Image Exit µm Distance

33 Adesione, migrazione e polarizzazione cellulare 100 µm Distance to origin y[µm] µm -150 x [µm] Glass-HyalS 10 um 10 µm 350 Distance to origin y[µm] y (across) x [µm] 10 µm x (long axis)

34 Microscopia a Forza Atomica (AFM) Dip-pen lithography Dip-Pen Nanolithography (DPN) viene usata come tecnica di nanostrutturazione per trasportare molecole sulla superficie attraverso il menisco che si forma spontaneamente tra la punta e la superficie. Si possono ottenere superfici nanostrutturate funzionalizzate in modo selettivo con diverse molecole o biomolecole con una risoluzione spaziale inferiore a 100nm

35 Microscopia a Forza Atomica (AFM) Dip-pen lithography Per creare superfici nanostrutturate stabili è necessario usare molecole che si legano al substrato per chemio-adsorbimento o attraverso interazioni elettrostatiche Au HS CH 3 Strutture ad alta risoluzione di tioli su una superficie di oro (atomicamente flat)

36 Spettrometria di Massa di Ioni Secondari: ToF-SIMS

37 Diagramma schematico del processo SIMS High energy (1-25 kev) beam of ions or neutrals Processo collisionale del tipo palla da biliardo

38 Gli ioni bombardano la superficie del materiale, costituita da un monostrato organico depositato su un substrato di oro. L energia trasmessa dagli ioni primari che arrivano sulla superficie produce un processo di collisioni a cascata che si traduce nella emissione di una vasta gamma di frammenti atomici e molecolari dei quali circa l 1% è costituito da ioni. L analisi degli ioni secondari emessi è la chiave per esplorare la struttura della superficie

39 ToF-SIMS 10 µm Immagini chimiche PLL-g-PEG PLL-g-PEG-X[RGD] 10 µm

40 Cellule umane (Fibroblasti) su RGD-peptide [X] micropatterns 60µm PLL-g-PEG-RGD [X] PLL-g-PEG

41 Fibroblasti umani su RGD-peptide nanopatterns 50µm 50µm 50µm 50µm Immunofluorescence image of membrane Immunofluorescence image of vinculin 50µm

42 Altre Geometrie

43 Scaffold Materiali organici sintetici (poliesteri alifatici, PEG.) Materiali inorganici sintetici (idrossiapatite, vetro ceramico..) Materiali organici di origine naturale (collagene, gel di fibrina, acido ialuronico ) Velocità di degradazione Proprietà meccaniche Composizione polimerica Porosità, dimensioni dei pori Forma, dimensioni Microarchitettura

44 Idrogeli Network tridimensionali polimerici che possono adsorbire acqua fino a 100 volte il loro peso catena polimerica CH 2 OH CH 2 OCH 2 COOH OH reticolante COOH O OH O OH O NHCOCH 3 n OH O OH O OH n CH 2 OCH 2 COOH punto di reticolazione OH Hyal CMC COOH O O O COOH OH OH n OH OH AA

45 Cartilagine articolare ingegnerizzata

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47 Scaffold per la rigenerazione dell osso Materiali di diversa composizione e tessitura Incoraggiare le cellule a crescere Consentire lo scambio di nutrienti Non nuocere al paziente

48 Scaffold per la rigenerazione dell osso PLG scaffold Chitosan scaffold PCL/PEG scaffold

49 Cute ingegnerizzata: fibroblasti su acido poliglicolico riassorbibile PLG scaffold + proteine + fattori di crescita cellulari Fibroblasti umani sullo scaffold riassorbibile

50 Trattamento delle ulcere diabetiche del piede

51 Cell Sheet Engineering Bio-materiali intelligenti : polimeri che rispondono a stimoli esterni con variazioni strutturali (es. polimeri termosensibili)

52 Ricostruzione del tessuto cardiaco Stabilire una comunicazione strutturale e funzionale tra differenti strati di cellule rappresenta un punto critico nella costruzione di cardiomyocyte cell sheets

53 Trasferimento del segnale tra due o più strati di cellule sovrapposti

54 grazie