Ingegneria tessutale

dinamica interazione reciproca. E’ stato, infatti, evidenziato che la rigenerazione funzionale del tessuto danneggiato dipende dall’opportuna integrazione di tali fattori [1].
Uno scaffold ideale per applicazioni nell’ambito dell’ingegneria del tessuto osseo, oggetto di tale studio, dovrebbe possedere una struttura tridimensionale altamente  porosa e dotata di pori interconnessi, essere biocompatibile e biodegradabile, con velocità di degradazione coordinata con quella di formazione del nuovo tessuto in vitro o in vivo, nonché possedere proprietà meccaniche compatibili a quelle del tessuto osseo [11]. Inoltre, tale scaffold dovrebbe promuovere e guidare la rigenerazione del tessuto attraverso il controllo locale del microambiente, rilasciando opportuni segnali al sito d’interesse in maniera controllata nel tempo [12, 13].
Recenti studi sono focalizzati sull’integrazione delle tecnologie di progettazione degli scaffold per l’ingegneria dei tessuti con quelle del rilascio controllato di farmaci, al fine di favorire la morfogenesi di tessuti complessi [14, 15]. Gli approcci più ampiamente utilizzati, si basano sull’interdispersione del fattore di crescita all’interno dello scaffold [1, 14], o sull’incapsulazione dello stesso in microparticelle, successivamente incluse nello scaffold [17]. Tuttavia, tali approcci non permettono un controllo indipendente del grado di porosità, dimensione e interconnessione dei pori, nonché del rilascio di agenti bioattivi.
Tra i polimeri sintetici biodegradabili, utilizzati per realizzare scaffold per la rigenerazione del tessuto osseo, grande diffusione ha avuto il policaprolattone (PCL), preso in esame in tale lavoro di tesi. Il suo impiego è legittimato dalle caratteristiche chimiche e fisiche compatibili con quelle del tessuto osseo, soprattutto in relazione alla cinetica di degradazione del polimero, nonché ad acclarate doti di biocompatibilità, ampiamente documentate in letteratura [18].
In tale lavoro di tesi si propone l’utilizzo del PCL per la realizzazione, attraverso un approccio innovativo, di scaffold multifunzionali con proprietà morfologiche e meccaniche modulabili, capaci, inoltre, di rilasciare in maniera controllata nel tempo fattori bioattivi.
In particolare, tali scaffold sono stati realizzati mediante un approccio bottom-up basato sulla sinterizzazione di microparticelle di PCL, ottenute mediante la tecnologia di emulsione.

La prima fase di questo lavoro è stata focalizzata sulla realizzazione e caratterizzazione di microsfere in policaprolattone, ottenute attraverso due metodologie: singola emulsione (O/W) e doppia emulsione (W/O/W). Il processo di preparazione delle microsfere in PCL è stato ottimizzato per ottenere una distribuzione dimensionale adeguata alla realizzazione di matrici polimeriche biodegradabili mediante sinterizzazione.
Inoltre, il metodo della doppia emulsione consente di incapsulare efficientemente una proteina modello, Bovine Serum Albumine (BSA). In particolare, sono state realizzate sei tipologie di microsfere, mediante doppia emulsione, variando opportunamente diversi parametri, al fine di modulare la dimensione delle microparticelle, la loro morfologia interna e, conseguentemente, la cinetica di rilascio della proteina  incapsulata.
La seconda fase di tale lavoro di tesi si focalizza sulla realizzazione e progettazione di matrici realizzate attraverso sinterizzazione di microparticelle. In particolare, sono stati realizzati scaffold tridimensionali mediante sinterizzazione termica o compattazione chimica (attraverso l’utilizzo di un’opportuna miscela di solventi) di microsfere in policaprolattone.
Sono stati realizzati scaffold tridimensionali mediante sinterizzazione di microsfere compatte, ottenute mediante singola emulsione (scaffold protein-free). Successivamente, sono realizzate matrici bioattive dalla sinterizzazione di microsfere contenenti la proteina, ottenute mediante doppia emulsione, e microsfere di dimensioni maggiori, ottenute mediante singola emulsione; utilizzando le stesse condizioni di processo ottimizzate per la realizzazione di scaffold protein-free. La dimensione dei  pori e le proprietà meccaniche degli scaffold possono essere controllati dalla scelta delle dimensioni delle microsfere compatte, ottenute mediante singola emulsione. Il rilascio della proteina incapsulata può essere, invece, modulato dall’opportuna scelta della formulazione di microsfere ottenute mediante doppia emulsione.
Sulla base dei risultati ottenuti dallo studio e dalla completa caratterizzazione delle microparticelle di PCL e della loro sinterizzazione per ottenere matrici tridimensionali, l’ultima fase di tale lavoro di ricerca si è focalizzato sulla realizzazione di microparticelle composite chitosano-gelatina. La realizzazione di tali microparticelle   è focalizzata ad estendere l’approccio della sinterizzazione termica e chimica ai materiali naturali.

Tessuto osseo

Nella progettazione e nella realizzazione di materiali innovativi per applicazioni biomediche è necessario innanzitutto comprendere a fondo le problematiche che si dovranno affrontare nella ricerca; pertanto il primo aspetto è analizzare “come progetta la natura” ovvero valutare come l’evoluzione naturale abbia permesso la realizzazione di tessuti biologici con prestazioni così specifiche e così straordinarie, consentendo di operare l’ottimizzazione della microstruttura di ciascun tessuto in base alla specifica funzione fisiologica richiesta. Nella realizzazione di un materiale sintetico non è possibile ripercorrere le stesse procedure evolutive del tessuto naturale, ma, valutando le proprietà  meccaniche  e  fisiche  dei  tessuti  biologici e
studiando le correlazioni che esse presentano con le funzioni, è possibile comprendere ed ottimizzare la microstruttura in funzione delle proprietà richieste [19]. In quest’ottica si ritiene allora necessario introdurre alcune                considerazioni      sulla      struttura     e     sulla composizione dei tessuti ossei, applicazione oggetto di tale studio.
L’osso è un materiale composito naturale, caratterizzato da una matrice di fibre di collagene altamente orientate rinforzata da particelle di fosfato di calcio, immersa in un fluido fisiologico (circa 10% in peso), che conferisce una certa plasticità al materiale. Al suo interno la presenza di cellule (prevalentemente osteociti ed osteoblasti) che ricoprono circa il 15% del suo peso,
consentono la continua ricostruzione dei tessuti, motivo