30845 Suppl Giot.pdf - Giornale Italiano di Ortopedia e Traumatologia

Tecniche innovative per la fabbricazione di scaffold ad uso ortopedico
a. rainer, a. Di Martino, G. Vadalà, V. Denaro, M. Trombetta
rIaSSuNTO
L’ingegneria tissutale in ambito ortopedico si avvale di nuove
tecniche di fabbricazione, volte ad ottenere scaffold dalle caratteristiche
avanzate, destinati ad una migliore integrazione con il
tessuto ospite. Nello specifico, le tecniche di elettrofilatura e di
fabbricazione computer-assistita appaiono tra quelle con un campo
applicativo più vasto.
Parole chiave: ingegneria tissutale, elettrofilatura, biofabbricazione
SuMMary
Tissue engineering in orthopedics field takes advantage of innovative
fabrication techniques to obtain advanced scaffolds, which
exhibit a higher integration with host tissues. In particolar, electrospinning
and computer-aided fabrication techniques are among the
most promising for a prompt application.
Keywords: tissue engineering, electrospinning, biofabrication
INTrODuzIONE
L’ingegneria tissutale ha come scopo la creazione di costrutti
costituiti da cellule immerse in una matrice extracellulare artificiale,
allo scopo di realizzare tessuti autologhi ingegnerizzati (tissue
engineering constructs, TEC) per la riparazione di lesioni 1 2 .
Scopo ultimo dell’ingegneria tissutale è ottenere la completa integrazione
del TEC con il tessuto ospite, fino al completo rimodellamento
del sito di impianto. Questo obiettivo è raggiunto anche mediante il
progressivo riassorbimento del biomateriale utilizzato per la creazione
dello scaffold. L’ingegneria tissutale mira dunque alla rigenerazione
tissutale, piuttosto che alla semplice sostituzione e riparazione.
Appare quindi evidente come le caratteristiche dello scaffold giochino
un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni di un
TEC. Lo scaffold deve, infatti, garantire un sito d’adesione per le
cellule, permettendo la loro proliferazione e migrazione all’interno
dello stesso. Deve altresì garantire la stabilità meccanica sotto il
sistema di carichi fisiologici al sito d’impianto (caratteristica, questa,
particolarmente importante nel caso di scaffold destinati all’apparato
CIR - Centro Integrato di Ricerca, Università Campus Bio-Medico di Roma.
Indirizzo per la corrispondenza:
Alberto Rainer, Laboratorio di Chimica & Biomateriali, CIR - Centro Integrato di
Ricerca, Università Campus Bio-Medico di Roma, Via Alvaro del Portillo 21, 00128
Roma. Tel. +39 06 225419640. Fax +39 06 225411949.
G.I.O.T. 2010;36(suppl. 1):S135-S136
muscoloscheletrico). Inoltre, lo scaffold deve avere una porosità controllata,
in grado di consentire la diffusione di ossigeno e nutrienti al
suo interno, e, nel contempo, l’eliminazione dei metaboliti. Infine
la degradazione dello scaffold deve avvenire in maniera controllata,
compatibile con i processi di formazione del neo-tessuto, e i prodotti
di degradazione devono risultare non citotossici.
La letteratura riporta innumerevoli studi relativi a scaffold con
caratteristiche idonee all’applicazione nell’ambito ortopedico, per
i quali sono state sperimentate tecniche di fabbricazione quali la
separazione di fase, la schiumatura in situ e l’utilizzo di porogeni
3 4 . La sfida, al momento, rimane quella di disegnare con precisione
la microarchitettura dello scaffold.
Diversi studi hanno confermato come la matrice extracellulare
(MEC) abbia caratteristiche su scala nanometrica 5 . Per questo motivo,
con l’obiettivo di realizzare un ambiente sintetico il più possibile
somigliante alla MEC, le tecniche di fabbricazione di scaffold si
sono fortemente avvalse delle nanotecnologie. La tecnica di elettrofilatura
(electrospinning) ha suscitato notevole interesse all’interno
della comunità scientifica in quanto consente un accesso diretto alla
sintesi di nanomateriali, sotto forma di tessuti non tessuti costituiti
da nanofibre. L’assetto fibrillare è in grado di mimare fedelmente le
caratteristiche morfologiche della MEC nativa.
In campo ortopedico, specie nei casi di grosse perdite di sostanza, vi è
la necessità di costruire scaffold a forma libera, in grado di ricostruire
con buona precisione forme anatomiche. Le tecniche di fabbricazione
computer-assistita si basano sull’utilizzo di dispositivi di movimentazione
controllati da computer per la fabbricazione di scaffold a partire
da modelli solidi ricavati da immagini tomografiche.
ELETTrOFILaTura
La tecnica di elettrofilatura consiste nella fabbricazione di fibre
micro- e nanometriche a partire da soluzioni polimeriche, mediante
l’applicazione di un forte campo elettrico tra una siringa contenente
il polimero e una piastra metallica di raccolta (collettore). Le
forze elettrostatiche sono in grado di estrarre un sottile getto dalla
soluzione polimerica, che si deposita sul collettore sotto forma di
tessuto non tessuto. Durante il tempo di volo, l’elevato rapporto
d’aspetto del getto polimerico favorisce il processo di eliminazione
del solvente, che raggiunge il collettore praticamente asciutto. La
tecnica di elettrospinning garantisce quindi l’ottenimento di scaffold
fibrillari, con una morfologia assimilabile a quella della MEC.
Una notevole varietà di polimeri biocompatibili e bioassorbibili
sono stati sottoposti a elettrofilatura 6 , e valutati come possibili
scaffold per l’ingegneria tissutale in campo ortopedico 7-9 . Tra
questi, spiccano sia polimeri naturali, come collagene, acido ialuronico
e chitosano (un derivato della chitina), sia polimeri sintetici
come acido polilattico, acido poliglicolico e policaprolattone. Per
aumentare la bioattività di questi materiali, sono state proposte in
S135