Scaffold biomimetici - carlo santulli home page

SCAFFOLD BIOMIMETICIPER LA RIGENERAZIONE OSSEACarlo SantulliUniversità degli Studi di Roma ­ La SapienzaDipartimento di Ingegneria ElettricaVia Eudossiana 18 00184 RomaE­mail: carlo.santulli@uniroma1.itDEFINIZIONELo scaffold è un supporto sul quale un nuovo tessuto osseo è generato(e che può essere rimosso, o meno, alla fine del processo)SOMMARIOTipi di celluleCaratteristiche scaffoldMetodi di produzione scaffoldEsempi biomimetici: ossi di seppia, molluschi, corallo

FASI SVILUPPO BIOMATERIALISostitutivaNotevole uso di leghe metalliche (es. intitanio) concentrazione sulla funzionalitàda sostituire e valutazione empiricadella biocompatibilitàRicostruttivaSupporto al recupero della funzione perdutacon utilizzo di scaffold in materiali il piùpossibile porosi e biocompatibili (polimeriper ricostruzione tessutale, ceramici perricostruzione ossea)RigenerativaBiocompatibilità naturale di struttureassemblantesi in modo gerarchizzato(materiali naturali)

CELLULE PER RIGENERAZIONE

APPROCCI GENERALIMEDICINA RIGENERATIVA• Impianto di cellule autologhe che includonocellule staminali e cellule­precursori (specificheper tessuto)• Sistemi extra­corporei di supporto durante lafase rigenerativa• Applicazione di agenti farmaceutici perpromuovere la rigenerazione cellulare autologa

INNESTI OSSEI (BONE GRAFTS)L'innesto osseo è ogni materiale impiantato che da solo od incombinazione con altri materiali promuove una risposta curativafornendo attività osteogenica, osteoconduttiva o osteoinduttiva ad unsito locale.L'attività osteogenica è l'abilità di sintetizzare nuovo tessuto osseoattraverso cellule ossee vive contenute nell'innesto o nel sitodell'innesto (tramite osteoblasti allineati, o cellule staminalimesenchimali (precursori indotti, che diventano cellule osseeattraverso fattori di crescita)L'attività osteoconduttiva è la proprietà fisica di un materiale di innestoche permette la vascolarizzazione e l'infiltrazione di cellule precursori.L'attività osteoinduttiva è la capacità di stimolare la formazione dell'ossoattraverso stimoli biologici, che inducono cellule locali o trapiantate adiniziare un processo di differenziazione, che porti ad osteoblastimaturi.

CARATTERISTICHE SCAFFOLD OSSEINel caso del tessuto osseo lo scaffold deve essere mineralizzato edeve essere poroso per permettere la migrazione delle celluleosetogenetiche e per permettere lo sviluppo vascolare.Gli scaffolds porosi mineralizzati vengono ottenuti da fonti naturaliquali corallo o osso naturale o sono completamente sintetici.Normalmente hanno di per se stessi capacità osteoconduttive, soloin alcuni casi hanno capacità osteoinduttive, come nel caso discaffold in fosfato di calcio, e osteogenetiche.Materiali per scaffold ossei sono normalmente ceramici, come idrossiapatiteo fosfato di calcio, a volte si utilizzano anche compositi p.es. acido polilattico(PLA)/carbonato di calcio o PLA/collagene/idrossiapatite (compositi gerarchizzati)

TIPI DI FRATTURA DELL'OSSOLo sviluppo dell'innesto osseo sugli scaffold deve essere il più possibile adattato altipo di frattura e quindi alla compensazione della sollecitazione che l'ha prodotta

SCELTA BIOMATERIALI PER SCAFFOLDDALLE PROPRIETA' MECCANICHE(diagrammi di Ashby­Wegst)In pratica gli approcci possono essere o quello di avere uno scaffold leggero e biodegradabile(polimeri bio­erodibili, p.es. acido polilattico,PLA; policaprolattone, PCL; acido poliglicolico, PGA)oppure avere uno scaffold che rappresenta un supporto reale all'innesto osseo, cioè un derivatodal carbonato di calcio (calcite, aragonite) o direttamente idrossiapatite

ESEMPIO DI SCAFFOLD COMPOSITO:SPUGNA IBRIDA PLLA/COLLAGENE

PROGETTAZIONE SCAFFOLD

CRESCITA DELL'OSSO NELLO SCAFFOLDLa crescita dell'osso nello scaffold essendo tipicamente disomogenea,è richiesto il controllo di una serie di variabili: macroporosità, proprietà diattacco cellulare, fattore di crescita, bio­degradazione e proprietà meccaniche.Il controllo accurato di queste caratteristiche basato sul tessuto originariodovrebbe permettere la crescita delle cellule attraverso competizionecellulare locale.

SUPERFICI AUTOPULENTIPER SCAFFOLD IN PLLA/DIOSSANOLa superidrofobicità è basata sull'effetto loto (Nelumbo Nucifera), in pratica lacreazione di una tensione superficiale negativa (con angolo di contatto ottuso) dovutoalla nanostruttura della superficie

SPIEGAZIONE DELL’EFFETTO LOTO(Barthlott, 1993)• L’effetto nasce poiché le foglie del loto hanno una struttura superficiale molto finee sono rivestite di cristalli di cera idrofobica di diametro circa 1 nanometro.• Nella scala del nanometro, le superfici ruvide tendono ad essere più idrofobichedi quelle lisce, a causa della ridotta area di contatto tra l’acqua ed il solido.• Nella pianta del loto, la superficie reale di contatto è solo il 2­3% della superficiericoperta dalle gocce.• Questa nanostruttura ruvida è essenziale per l’effetto autopulente: su unasuperficie idrofobica liscia, le goccioline di acqua slittano piuttosto che rotolare enon raccolgono lo sporco con la stessa efficacia.

ALCUNE TECNICHE DI PRODUZIONEDEGLI SCAFFOLDTecniche Materiali utilizzati Costo Risoluzione (μm) Tipi di celle LimitiFotolitografiaLitografia convenzionaleSilicone, silano, polietilenglicole,fattori di adesione (proteinici),oltre a sviluppatori fotograficiSilicone, polidimetilsilossano,fattori di adesione (proteinici),altri polimeri bioerodibili, oltre asviluppatori fotograficiLaminazione a membrana Polimeri bioerodibili,bioceramiciAlto 5 Varie Rilascio sostanze tossicheAlto 30 Varie Geometrie non ben definite;formazione di menischiMedio 150 Osteoblasti Poca porositàStampaggio 3D Polimeri bioerodibili Medio 300 Varie Rischio di presenza di grani polimericied eccesso di solventeLaser sinterizzazione Fosfati di calcio Medio < 400 Osteoblasti Rischio di presenza di grani polimericied eccesso di solventeFoto modellizzazione Resine fotopolimerizzate Medio 70 Osteoblasti Uso di polimeri non biocompatibiliModellizzazione perdeposizione del fusoPolimeri bioerodibili Medio­basso 30­50 Varie Alterazioni chimico­fisiche delpolimeroModellizzazione multijet Polimeri bioerodibili Medio­basso 50 Varie Rischio di interazione tra le diversesoluzioni usateMicrosiringa in pressione Polimeri bioerodibili, idrogel Medio­basso 5­10 Neuronali,endoteliali,fibroblastiNon adatto per materiali moltoidrosolubili

STEREOLITOGRAFIALa stereolitografia utilizza resina polimerizzabile perultravioletti ed un Laser a raggi ultravioletti percostruire uno strato alla volta della parte richiesta.Su ogni strato, il raggio Laser traccia la sezione sullasuperficie della resina liquida, poi l'esposizione alraggio Laser permette la polimerizzazione el'adesione allo strato sottostante.Dopo il tracciamento della sezione, la piattaformascende dello spessore di uno strato (tra 0.05 e 0.15mm) e ripete l'operazione.

SINTERIZZAZIONE LASER SELETTIVALa "sinterizzazione selettiva Laser" utilizza un Laser ad alta potenza (per esempioad anidride carbonica) per fondere piccole quantità polverizzate della sostanzache deve produrre il prototipo.Le quantità vengono fuse in modo selettivo, strato per strato, secondo un pianofornito da una descrizione tridimensionale dell'oggetto implementata sul sistemaLaser.

METODI DI STAMPAGGIO

FONTI NATURALI PER SCAFFOLD OSSEICorallo: Gli esoscheletri dei coralli sono costituiti da carbonatodi calcio. E' possibile sia utilizzarli, una volta purificati, comeinnesti ossei, che come fonti di Idrossiapatite, trasformando ilcarbonato di calcio con la reazione idrotermica:Ossi di seppia: Sempre costituiti da carbonato di calcio (aragonite),Sono stati utilizzati come scaffold, anche con formazionedi idrossiapatite e sostituzione degli idrossidi con fluoro(fluoroapatite) per renderli più simili all'osso, secondo la reazione:Molluschi: Conchiglie costituite da carbonato di calciocon piccole quantità di materiale proteico come collante

IDROSSIAPATITE DAL CORALLOPorosità di tipo tubolare evidenziate dalle micrografie, altre specie di corallievidenziano porosità a fessura. Attraverso le prove di intrusione con mercurio sideterminano le dimensioni medie dei pori, la distribuzione, la densità complessiva(escluse le porosità) e quella reale.Creazione di scaffold a basedi corallo e PCL (policaprolattone)col metodo del salt leaching(per modellare le porositàsulle necessità della struttura)(in pratica si pone nello stampouna miscela polimero­salee poi la si immerge in acqua:il sale, uscendo genera poriaperti di dimensione controllata

STRUTTURA OSSO DI SEPPIALe particolari caratteristiche che rendono interessantigli ossi di seppia, oltre che la specifica simmetria “retta”,utilizzata per il galleggiamento a profondità fissa,è la presenza di canali curvi e strutture di interconnettivitàtra le porosità, che facilitano potenzialmente l'innesto dell'osso.Altro utilizzo recentemente investigato per gli ossi di seppia (e connesso con la simmetriastrutturale) è l'uso come super conduttori. In effetti è stata rilevata una densità di correntecritica maggiore di quasi due ordini di grandezza rispetto ad un comune superconduttorecommerciale, come la polvere di Y123 (Y 1Ba 2Cu 3O x) con una temperatura critica di 92 K,tuttavia i superconduttori in osso di seppia hanno notevole fragilità, per cui si pensa atrattamenti superficiali, come la nitrurazione.

ABALONE COME MATERIALE PER SCAFFOLD(struttura a mattoni di carbonato di calcio, lunghi circa 10 micron, con sezionecirca quadrata di 0.5 micron di lato, intersecati e disposti a spirale in simmetriatridimensionale: la proteina agisce come collante)Tipica struttura della conchiglia di abalonea spirale quasi logaritmicaLa conchiglia dell'abalone è un esempio di ceramico tenaceIn quanto le unità strutturali sono capaci di scivolarel'una rispetto all'altra, resistendo alla formazione delle fratture.

IDROSSIAPATITE DAI MOLLUSCHIQuesta struttura, detta lamellare incrociata, con tre strati di spessoreuniforme, ricorda l'allineamento delle fibre nel legno o i compositicross­ply, ed è quindi tendente ad una quasi­isotropia

SVILUPPI FUTURIIdealmente, per riprodurre l'osso, si devono raggiungere leseguenti caratteristiche:Auto­assemblaggioStruttura gerarchicaProduzione a temperatura ambiente usando acqua comeunico solventeMultifunzionalità (anche dal punto di vista meccanico)Auto­riparazione (anche se lenta e non sempre efficace,in dipendenza dall'ambiente)In termini di biomateriali, la scelta di utilizzare materialinaturali in modo biomimetico esclude l'impiego dei metalli(non sempre processabili a temperatura ambiente)