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

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Dionisia Guerra
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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

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?

Quali cellule devono essere usate (se necessarie)? - Sorgente cellulare?

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

mitosi, sintesi, migrazione, contrazione) delle cellule in vivo o di cellule seminate in vitro 2) rinforza il difetto,

7 LEZIONE XVIII SCAFFOLDS

8 bioattività

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

superficiale e numero di cellule aderite - Infiltrazione cellulare nei pori Interconnettività dei pori

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

of bulk material Scaffold bioattivi hanno tipicamente

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

15 a, b = assi dell ellisse

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

Q portata volumetrica Δp gradiente di pressione A area trasversale del campione l spessore del

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

$fraction) SAV area superficiale T tortuosità (>1) Le$

19 MODULAZIONE DELLA MICROSTRUTTURA

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.

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.

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

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