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SCAFFOLD BIOMIMETICI
PER LA RIGENERAZIONE OSSEA
Carlo Santulli
Università degli Studi di Roma - La Sapienza
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Via Eudossiana 18 00184 Roma
E-mail: carlo.santulli@uniroma1.it
SOMMARIO
Tipi di cellule
Caratteristiche scaffold
Metodi di produzione scaffold
Esempi biomimetici: ossi di seppia, molluschi, corallo

FASI SVILUPPO BIOMATERIALI
Sostitutiva
Ricostruttiva
Rigenerativa
Notevole uso di leghe metalliche (es. in
titanio) concentrazione sulla funzionalità
da sostituire e valutazione empirica
della biocompatibilità
Supporto al recupero della funzione perduta
con utilizzo di scaffold in materiali il più
possibile porosi e biocompatibili (polimeri
per ricostruzione tessutale, ceramici per
ricostruzione ossea)
Biocompatibilità naturale di strutture
assemblantesi in modo gerarchizzato
(materiali naturali)

CELLULE PER RIGENERAZIONE

APPROCCI GENERALI
MEDICINA RIGENERATIVA
• Impianto di cellule autologhe che includono
cellule staminali e cellule-precursori (specifiche
per tessuto)
• Sistemi extra-corporei di supporto durante la
fase rigenerativa
• Applicazione di agenti farmaceutici per
promuovere la rigenerazione cellulare autologa

INNESTI OSSEI (BONE GRAFTS)
L'innesto osseo è ogni materiale impiantato che da solo od in
combinazione con altri materiali promuove una risposta curativa
fornendo attività osteogenica, osteoconduttiva o osteoinduttiva ad un
sito locale.
L'attività osteogenica è l'abilità di sintetizzare nuovo tessuto osseo
attraverso cellule ossee vive contenute nell'innesto o nel sito
dell'innesto (tramite osteoblasti allineati, o cellule staminali
mesenchimali (precursori indotti, che diventano cellule ossee
attraverso fattori di crescita)
L'attività osteoconduttiva è la proprietà fisica di un materiale di innesto
che permette la vascolarizzazione e l'infiltrazione di cellule precursori.
L'attività osteoinduttiva è la capacità di stimolare la formazione dell'osso
attraverso stimoli biologici, che inducono cellule locali o trapiantate ad
iniziare un processo di differenziazione, che porti ad osteoblasti
maturi.

CARATTERISTICHE SCAFFOLD OSSEI
Nel caso del tessuto osseo lo scaffold deve essere mineralizzato e
deve essere poroso per permettere la migrazione delle cellule
osetogenetiche e per permettere lo sviluppo vascolare.
Gli scaffolds porosi mineralizzati vengono ottenuti da fonti naturali
quali corallo o osso naturale o sono completamente sintetici.
Normalmente hanno di per se stessi capacità osteoconduttive, solo
in alcuni casi hanno capacità osteoinduttive, come nel caso di
scaffold in fosfato di calcio, e osteogenetiche.
Materiali per scaffold ossei sono normalmente ceramici, come idrossiapatite
o 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'OSSO
Lo sviluppo dell'innesto osseo sugli scaffold deve essere il più possibile adattato al
tipo di frattura e quindi alla compensazione della sollecitazione che l'ha prodotta

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

ESEMPIO DI SCAFFOLD COMPOSITO:
SPUGNA IBRIDA PLLA/COLLAGENE

PROGETTAZIONE SCAFFOLD

CRESCITA DELL'OSSO NELLO SCAFFOLD
La crescita dell'osso nello scaffold essendo tipicamente disomogenea,
è richiesto il controllo di una serie di variabili: macroporosità, proprietà di
attacco cellulare, fattore di crescita, bio-degradazione e proprietà meccaniche.
Il controllo accurato di queste caratteristiche basato sul tessuto originario
dovrebbe permettere la crescita delle cellule attraverso competizione
cellulare locale.

SUPERFICI AUTOPULENTI
PER SCAFFOLD IN PLLA/DIOSSANO
La superidrofobicità è basata sull'effetto loto (Nelumbo Nucifera), in pratica la
creazione di una tensione superficiale negativa (con angolo di contatto ottuso) dovuto
alla nanostruttura della superficie

SPIEGAZIONE DELL’EFFETTO LOTO
(Barthlott, 1993)
• L’effetto nasce poiché le foglie del loto hanno una struttura superficiale molto fine
e sono rivestite di cristalli di cera idrofobica di diametro circa 1 nanometro.
• Nella scala del nanometro, le superfici ruvide tendono ad essere più idrofobiche
di 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 2-3% della superficie
ricoperta dalle gocce.
• Questa nanostruttura ruvida è essenziale per l’effetto autopulente: su una
superficie idrofobica liscia, le goccioline di acqua slittano piuttosto che rotolare e
non raccolgono lo sporco con la stessa efficacia.

ALCUNE TECNICHE DI PRODUZIONE
DEGLI SCAFFOLD
Tecniche Materiali utilizzati Costo Risoluzione (μm) Tipi di celle Limiti
Fotolitografia Silicone, silano, polietilenglicole,
fattori di adesione (proteinici),
oltre a sviluppatori fotografici
Litografia convenzionale Silicone, polidimetilsilossano,
fattori di adesione (proteinici),
altri polimeri bioerodibili, oltre a
sviluppatori fotografici
Laminazione a membrana Polimeri bioerodibili,
bioceramici
Alto 5 Varie Rilascio sostanze tossiche
Alto 30 Varie Geometrie non ben definite;
formazione di menischi
Medio 150 Osteoblasti Poca porosità
Stampaggio 3D Polimeri bioerodibili Medio 300 Varie Rischio di presenza di grani polimerici
ed eccesso di solvente
Laser sinterizzazione Fosfati di calcio Medio < 400 Osteoblasti Rischio di presenza di grani polimerici
ed eccesso di solvente
Foto modellizzazione Resine fotopolimerizzate Medio 70 Osteoblasti Uso di polimeri non biocompatibili
Modellizzazione per
deposizione del fuso
Polimeri bioerodibili Medio-basso 30-50 Varie Alterazioni chimico-fisiche del
polimero
Modellizzazione multijet Polimeri bioerodibili Medio-basso 50 Varie Rischio di interazione tra le diverse
soluzioni usate
Microsiringa in pressione Polimeri bioerodibili, idrogel Medio-basso 5-10 Neuronali,
endoteliali,
fibroblasti
Non adatto per materiali molto
idrosolubili

STEREOLITOGRAFIA
La stereolitografia utilizza resina polimerizzabile per
ultravioletti ed un Laser a raggi ultravioletti per
costruire uno strato alla volta della parte richiesta.
Su ogni strato, il raggio Laser traccia la sezione sulla
superficie della resina liquida, poi l'esposizione al
raggio Laser permette la polimerizzazione e
l'adesione allo strato sottostante.
Dopo il tracciamento della sezione, la piattaforma
scende dello spessore di uno strato (tra 0.05 e 0.15
mm) e ripete l'operazione.

SINTERIZZAZIONE LASER SELETTIVA
La "sinterizzazione selettiva Laser" utilizza un Laser ad alta potenza (per esempio
ad anidride carbonica) per fondere piccole quantità polverizzate della sostanza
che deve produrre il prototipo.
Le quantità vengono fuse in modo selettivo, strato per strato, secondo un piano
fornito da una descrizione tridimensionale dell'oggetto implementata sul sistema
Laser.

METODI DI STAMPAGGIO

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

IDROSSIAPATITE DAL CORALLO
Porosità di tipo tubolare evidenziate dalle micrografie, altre specie di coralli
evidenziano porosità a fessura. Attraverso le prove di intrusione con mercurio si
determinano le dimensioni medie dei pori, la distribuzione, la densità complessiva
(escluse le porosità) e quella reale.
Creazione di scaffold a base
di corallo e PCL (policaprolattone)
col metodo del salt leaching
(per modellare le porosità
sulle necessità della struttura)

STRUTTURA OSSO DI SEPPIA
Le particolari caratteristiche che rendono interessanti
gli 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 interconnettività
tra le porosità, che facilitano potenzialmente l'innesto dell'osso.
Altro utilizzo recentemente investigato per gli ossi di seppia (e connesso con la simmetria
strutturale) è l'uso come super conduttori. In effetti è stata rilevata una densità di corrente
critica maggiore di quasi due ordini di grandezza rispetto ad un comune superconduttore
commerciale, come la polvere di Y123 (Y 1 Ba 2 Cu 3 O x ) con una temperatura critica di 92 K,
tuttavia i superconduttori in osso di seppia hanno notevole fragilità, per cui si pensa a
trattamenti superficiali, come la nitrurazione.

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

IDROSSIAPATITE DAI MOLLUSCHI
Questa struttura, detta lamellare incrociata, con tre strati di spessore
uniforme, ricorda l'allineamento delle fibre nel legno o i compositi
cross-ply, ed è quindi tendente ad una quasi-isotropia

SVILUPPI FUTURI
Idealmente, per riprodurre l'osso, si devono raggiungere le
seguenti caratteristiche:
Auto-assemblaggio
Struttura gerarchica
Produzione a temperatura ambiente usando acqua come
unico solvente
Multifunzionalità (anche dal punto di vista meccanico)
Auto-riparazione (anche se lenta e non sempre efficace,
in dipendenza dall'ambiente)
In termini di biomateriali, la scelta di utilizzare materiali
naturali in modo biomimetico esclude l'utilizzo dei metalli
(non sempre processabili a temperatura ambiente)