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Tesi etd-07022013-152922


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
RANAUDO, ANTONIO
URN
etd-07022013-152922
Title
Preparazione e caratterizzazione di scaffolds polimerici per applicazioni di ingegneria tissutale
Struttura
BIOLOGIA
Corso di studi
BIOTECNOLOGIE MOLECOLARI E INDUSTRIALI
Supervisors
relatore Dott.ssa Chiellini, Federica
relatore Dott. Puppi, Dario
Parole chiave
  • manifattura additiva
  • filatura ad umido
  • poli(caprolattone)
  • poliesteri microbici
Data inizio appello
18/07/2013;
Consultabilità
Parziale
Data di rilascio
18/07/2053
Riassunto analitico
L’ingegneria tissutale è un campo multidisciplinare in pieno sviluppo, con l’obiettivo di creare costrutti viventi per il recupero e il ripristino dell’integrità e della funzione di organi e tessuti compromessi. Il fulcro di questo settore risiede nella creazione di supporti principalmente di natura polimerica, denominati scaffolds, in grado di mimare le strutture tissutali, adibite al mantenimento e allo sviluppo delle cellule. In questo modo, è possibile creare un impianto funzionale che incorpori cellule viventi sostenute ed eventualmente indotte a differenziare dal supporto polimerico, in grado di rigenerare i tessuti. Per la produzione di questi impianti tridimensionali, la scelta del materiale polimerico deve rispettare il più possibile le caratteristiche chimiche e meccaniche del tessuto nativo.
Nell’ambito dei polimeri di origine naturale, la classe dei poliesteri microbici offre caratteristiche chimico-fisiche e meccaniche di notevole interesse. I poliidrossialcanoati (PHA), prodotti come riserva energetica da numerose specie batteriche, e in particolare il copolimero poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossiesanoato) (PHBHHx), si presentano come buoni candidati per applicazioni di ingegneria tissutale ossea e vascolare.
Nella produzione di scaffolds polimerici, le caratteristiche del materiale e l’obiettivo finale influiscono sulla scelta della tecnica utilizzata. Tra le tecniche principali, il wet-spinning (filatura a umido), che si basa sul principio della separazione di fase indotta da non-solvente riceve un ampio numero di consensi. La differenza principale dei sistemi preparati con tale metodologia, rispetto a quelli ottenuti tramite estrusione da fuso, risiede nella porosità intrinseca delle fibre, che permette una migliore adesione cellulare e flusso di massa di nutrienti e metaboliti all’interno della struttura. L’ausilio di programmi CAD/CAM (computer-aided design/manufacturing), che permettono di ottenere scaffolds dalla geometria e microstruttura predefinite, ha permesso l’automazione della tecnica, ora conosciuta con il nome di computer-aided wet-spinning (CAWS).
Uno degli obiettivi del presente lavoro di tesi è stato quello di valutare l’efficacia dell’apporto di alcune modifiche alla tecnica CAWS derivanti dall’utilizzo di una miscela a tre componenti (polimero/solvente/non-solvente) per la produzione di scaffolds a base di PHBHHx. Il polimero PHBHHx è stato dapprima purificato al fine di eliminare eventuali tracce di residui cellulari presenti, ed è stata determinata la resa del processo. Sono stati impiegati due metodi di purificazione, che differiscono a livello del primo passaggio (filtrazione o centrifugazione). Il calcolo della resa del processo ha evidenziato che il metodo che impiega la centrifugazione determina una resa maggiore. Si è quindi proceduto alla determinazione del grado di miscibilità del polimero in presenza di diversi rapporti solvente/non-solvente (cloroformio/etanolo). Gli studi di solubilità hanno evidenziato che il limite viene raggiunto in miscele con rapporti solvente/non-solvente 60-40 % v/v per la presenza di aggregati polimerici. Le miscele ottenute sono state utilizzate per produrre scaffolds tridimensionali con una microstruttura predefinita mediante CAWS. Gli scaffolds sviluppati sono stati caratterizzati da un punto di vista termico, morfologico e meccanico. Tutti i dati ottenuti sono stati comparati tra loro e analizzati statisticamente per evidenziare variazioni imputabili alla presenza di non-solvente in varie percentuali in volume (v/v) nelle miscele ternarie utilizzate per produrre gli scaffolds. La caratterizzazione termica degli scaffolds, condotta tramite analisi di termogravimetria (TGA) e calorimetria differenziale a scansione (DSC), ha evidenziato come il processo di purificazione e la lavorazione del materiale influenzino positivamente le proprietà termiche considerate, come la temperatura di degradazione o il grado di cristallinità. Per quanto riguarda la presenza di etanolo nella miscela di estrusione, l’unico elemento di rilievo concerne un abbassamento significativo della temperatura di degradazione rispetto al controllo, mentre la frazione volumetrica di non-solvente non altera le proprietà termiche del materiale. L’analisi morfologica preliminare condotta utilizzando la microscopia ottica ha rivelato un aumento significativo della porosità e della dimensione del poro nella sezione trasversale, con un andamento lineare rispetto alla frazione volumetrica di non-solvente; il diametro delle fibre, invece, non appare influenzato dalla presenza di etanolo. I risultati della caratterizzazione meccanica in tensione, infine, hanno evidenziato come le proprietà meccaniche degli scaffolds subiscano un decremento significativo all’aumentare della frazione volumetrica del non-solvente in miscela.
Parallelamente, è stato intrapreso uno studio volto alla realizzazione di supporti polimerici biodegradabili a geometria tubolare per applicazioni di ingegneria tissutale vascolare, ottenuti tramite un apparato innovativo di CAWS. Per questa applicazione è stato utilizzato come materiale polimerico modello il poli(ε-caprolattone) (PCL). Particolare attenzione è stata rivolta alla messa a punto di un sistema di prototipizzazione rapida additiva in grado di produrre direttamente strutture tubolari di diametro interno di 2 mm che possano essere impiegate come stent biodegradabili in vasi di piccolo diametro. L’ottimizzazione dei parametri di processo ha permesso di ottenere strutture tubolari con diversa microstruttura fibrosa e spessore della parete, mediante deposizione controllata della soluzione polimerica su un cilindro rotante posto all’interno del bagno di coagulazione. L’analisi morfologica preliminare condotta utilizzando la microscopia ottica ha mostrato che il diametro e l’allineamento delle fibre costituenti la parete del supporto tubolare, nonché lo spessore della parete del supporto, possano essere variati agendo sulla velocità di rotazione del cilindro o sul flusso volumetrico di alimentazione della soluzione.
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