ETD

• bioreactor
• bioreattore
• finite elements models
• microbiota
• modelli agli elementi finiti
• prototipazione rapida
• rapid prototyping
• sforzo di taglio
• shear stress

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è consistito nell’ottimizzazione e nella fabbricazione di una camera di coltura che consenta di coltivare in vitro il microbiota intestinale umano e di riprodurne un modello dinamico fisiologicamente rilevante, passando attraverso la definizione quantitativa delle specifiche di progetto per un tale sistema, su cui è stato fondato un paradigma di confronto sistematico tra possibili design di un bioreattore. Particolare attenzione è stata posta sui requisiti riguardanti lo sforzo di taglio: è stata infatti progettata e fabbricata una camera fluidica a sforzo di taglio controllato propedeutica allo sviluppo della camera di coltura, utilizzata per lo studio dell’influenza di questa azione meccanica su biofilm di singoli ceppi microbici e sul microbiota intestinale.
La tesi è articolata nei capitoli elencati e brevemente descritti di seguito:
• Capitolo 1: definizione del ruolo dei bioreattori nell’ambito dell’ingegneria tessutale e descrizione tecnica delle loro funzionalità, con particolare riferimento ad applicazioni di simulazione dell’ambiente intestinale e di generazione di profili di sforzo di taglio controllati.
• Capitolo 2: introduzione al ruolo dei modelli agli elementi finiti nella progettazione ingegneristica e determinazione del design ottimale per la realizzazione di una camera fluidica a sforzo di taglio controllato basata su simulazioni di fluidodinamica computazionale.
• Capitolo 3: studio di fabbricazione dei singoli componenti per due prototipi successivi della camera fluidica a sforzo di taglio controllato e progettazione e realizzazione di un adeguato sistema di chiusura che ne garantisca la tenuta idraulica.
• Capitolo 4: progettazione, fabbricazione e prototipazione elettronica di un box per la generazione ed il monitoraggio di condizioni di anaerobiosi, finalizzato a prove biologiche in cui siano coinvolti ceppi batterici anaerobi o il microbiota intestinale.
• Capitolo 5: descrizione delle prove sperimentali svolte per mezzo della camera fluidica ai fini della valutazione dell’influenza dello sforzo di taglio sulla crescita di biofilm composti da singole specie microbiche e di campioni di microbiota intestinale completo.
• Capitolo 6: individuazione dei principali requisiti di un bioreattore per lo sviluppo di costrutti batterici e definizione sulla base di essi di un paradigma per il confronto quantitativo tra le possibili geometrie di un tale dispositivo, al fine di ottimizzarne il design. Questa metodologia è stata quindi applicata per lo sviluppo e la fabbricazione di un prototipo di una camera di coltura per il microbiota intestinale umano, a partire dall’analisi agli elementi finiti dei principali fenomeni di trasporto in essa coinvolti.