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Descrizione
Descrizione
Questo progetto ambisce alla fabbricazione attraverso l’utilizzo di tecniche di 3D-bioprinting, di un prodotto biomedicale, nello specifico il disco intervertebrale (Figura 14). Il progetto, attraverso competenze multidisciplinari, quali quelle dell’ingegneria dei materiali, competenze chimiche e biologiche, utilizza biopolimeri di origine naturale che vengono chimicamente modificati e utilizzati come inchiostri per la stampa 3D. Lo scopo è quello di produrre un costrutto biocompatibile, con proprietà meccaniche e biologiche simili a quelle del disco fisiologico, utilizzando l’approccio dell’ingegneria tissutale. Viste le diverse funzioni della parte esterna e interna del disco, si presenta la necessità di utilizzare materiali diversi, ciascuno dei quali possa rispondere a determinati requisiti. Tuttavia, il progetto ambisce anche alla fabbricazione di tale costrutto in one step, ossia senza confini netti tra la parte esterna ed interna del disco, stampando l’intera struttura utilizzando la fibroina derivata dalla seta come elemento continuo tra le due parti. Dopo la stampa, verranno effettuate analisi bio-meccaniche studiando le risposte meccaniche in compressione dinamica, la biodegradazione, variazioni strutturali nel tempo, contenuto d’acqua e comportamento biologico con cellule staminali, al fine di valutare la compatibilità del prodotto stampato con quella del disco fisiologico.
L’attività si colloca all’interno della macroattività 2 e riguarda la progettazione e fabbricazione multimateriale di componenti industriali e biomedici, realizzando un sostituto di disco intervertebrale che possa permettere la rigenerazione del tessuto fisiologico. La tecnica del 3D bioprinting si dimostra particolarmente adatta alla creazione di modelli di tessuto biodegradabili, che possano essere fabbricati sulle specifiche esigenze dei pazienti, quindi rivolta alla nuova frontiera della medicina personalizzata. L’utilizzo di biomateriali di origine naturale rende permette la fabbricazione di modelli di tessuto umano che siano modulabili nelle loro proprietà biomeccaniche, facilmente processabili, biodegradabili e biocompatibili.
Team
Team
Referente: Antonella Motta
Gruppo di lavoro:
Ricercatori DII: Antonella Motta, Claudio Migliaresi, Devid Maniglio, Sandra Diré
Ricercatori esterni: Francesco Grassi, (IOR-Bologna, I), Alessio Bucciarelli (CNR-Lecce, I), David Kaplan, (Tufts University, USA)
Tecnici: Lorenzo Moschini, Emanuela Callone, Claudia Gavazza
Studenti PhD:
Su fondi azione Dip. Eccellenza: Francesca Agostinacchio
Su altri fondi: Eugenia Spessot, Francesca Perin
Studenti di LM o LT: Elisa Biada (Biotecnologie mediche, UNI-BS), Nico Zamperlin, Elia Bissoli, Giada Marchetti, Daniele Bugnotti, Lucrezia Ceretti, Enrico Pasotto
Assegno di ricerca nadito su altri fondi: Elisa Biada
Partner esterni coinvolti
Istituzioni di ricerca straniere: Department of Bioengineering, Tufts University, MA, USA
Istituzioni di ricerca nazionali: IOR, Bologna, Italia
Aziende: Seevix (Israel); Cellink (Sweden)
Figura 1: Rappresentazione delle proprietà biologiche e meccaniche che devono essere riprodotte nel disco stampato tramite tecniche di 3D bioprinting, come unica struttura, a gradiente, senza confini netti tra la parte esterna ed interna.
Figura 2: Spugne di fibroina come matrice bioattive per protesi di fusione intervertebrale (in alto a sinistra). Differenziazione cellulare in fenotipo osteogenico sulle spugne (in alto a destra). Immagini acquisite tramite SEM mostrano cellule adese all’interno dei porti delle spugne (basso a sinistra) esempio di stampa 3D di inchiostri a base di acido ialuronico e fibroina (in basso a destra).
Lavoro degli studenti coinvolti
Lavoro degli studenti coinvolti
LM: Giada Marchetti
Argomento: materiali fotoreticolati a base di fibroina derivata dalla seta per microfabbricazione
Date: completata a Luglio 2019
Stato di attività, obiettivi e scadenze: il lavoro ambiva alla modificazione chimica della fibroina derivata dalla seta al fine di poterne indurre la gelificazione per via chimica attraverso esposizione alla luce UV. Tale metodo è stato utilizzato con successo per la biofabbricazione di materiali a base di seta utilizza la tecnica di stampa del digital light processing (DLP).
LM: Elisa Bissoli
Argomento: Rigenerazione del disco intervertebrale: disegno, fabbricazione e caratterizzazione chimico-meccanica di idrogeli a base di polietilenglicole (PEG) per la rigenerazione dell’anello fibroso
Date: completata a Luglio 2019
Stato di attività, obiettivi e scadenze: il lavoro si è focalizzato sulla fabbricazione e caratterizzazione di idrogeli a base di diverse combinazioni di acrilati e polimeri a base PEG, al fine di poter ottenere e riprodurre le proprietà meccaniche fisiologicamente presenti nell’anello fibroso del disco intervertebrale. Per tale scopo è stato messo a punto un sistema di microfluidica.
LM: Nico Zamperlin
Argomento: fabbricazione di idrogeli a base di fibroina e alginato attraverso l’utilizzo di CO2 supercritica per la rigenerazione del nucleo polposo del disco intervertebrale
Date: completata a Luglio 2019
Stato di attività, obiettivi e scadenze: scopo del lavoro è stata la fabbricazione di idrogeli a base di fibroina combinati con alginato attraverso diossido di carbonio ad alta pressione per ottenere una struttura con proprietà biomeccaniche simili a quelle del nucleo polposo del disco intervertebrale. Il lavoro ha dimostrato che il modello fabbricato con fibroina e alginato con il metodo utilizzato, risulta promettente soprattutto per riprodurre in vitro le proprietà meccaniche del nucleo polposo in condizioni fisiologiche.
LM: Daniele Bugnotti
Argomento: caratterizzazione di fibre di ragno in film di fibroina
Date: Gennaio 2021 – Ottobre 2021
Stato di attività, obiettivi e scadenze: in collaborazione con l’azienda Seevix (Israele), il progetto vede l’utilizzo di fibre sintetiche di ragno da essa prodotte, utilizzate e caratterizzate per la fabbricazione di film a base di fibroina. Lo studio, ancora in corso, sta valutando le proprietà meccaniche, biologiche e strutturali, per studiare l’effetto di tali fibre sulle proprietà finali del film di fibroina.
LM: Elisa Biada
Argomento: Fabbricazione e caratterizzazione di spugne a base di fibroina metacrilata per la rigenerazione del tessuto osseo
Date: Gennaio 2021 – Ottobre 2021
Stato di attività, obiettivi e scadenze: in collaborazione con Alessio Bucciarelli e il dr. Grassi dell’istituto ortopedico Rizzoli, il progetto si basa sulla fabbricazione e caratterizzazione di spugne a base di fibroina metacrilata, fabbricate con un processo che ne permette il controllo della porosità. Per la rigenerazione ossea, campioni a diversa porosità e composizione sono in valutazione soprattutto dal punto di vista biologico. Infatti, tali spugne vengono utilizzate come substrati per la cultura di cellule staminali e la loro differenziazione in cellule con fenotipo osseo in colture cellulari di 28 giorni.
Risultati
Risultati
Articoli scientifici:
F. Agostinacchio, D. Maniglio, E. Callone, C. Migliaresi, S. Dirè, A. Motta, A novel and selective silk fibroin fragmentation method - Soft Matter – June 2021 https://doi.org/10.1039/D1SM00566A
F. Cestari, F. Agostinacchio, A. Galotta, G. Chemello, A. Motta, V. M. Sglavo, Nano-hydroxyapatite derived from biogenic and bioinspired calcium carbonates: synthesis and in vitro bioactivity. Nanomaterials (2021) 11, 264 - https://doi.org/10.3390/nano11020264
Xuan Mu, Francesca Agostinacchio, Ning Xiang, Ying Pei, Yousef Khan, Chengchen Guo, Peggy Cebe, Antonella Motta, and David L. Kaplan, Recent Advances in 3D printing with protein-based inks - PROGRESS IN POLYMER SCIENCE –In Press (February 2021 - 101375) - doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2021.101375
Francesca Agostinacchio, Xuan Mu, Sandra Dirè, Antonella Motta, David L. Kaplan, In situ 3D printing: opportunities with silk inks - Trends in Biotechnology (2020) – DOI: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2020.11.003
A. Bucciarelli, Y. Yang, G. Fredi, A. Pegoretti, A. Motta, D. Maniglio, Genipin crosslinked silk fibroin monolith by compression molding with self-recovering mechanical properties in physiological conditions. Cell Reports Physical Science, 2021, 2(10),100605.
Francesca Agostinacchio, and Antonella Motta, Bio-Based Hydrogels and Their Applications for Intervertebral Disc Regeneration. Chapter 30: book entitled “Functional Bio-Based materials for Regenerative Medicine: From Bench to Bedside”, Editors: Mohd Fauzi Mh Busra, Law Jia Xian, Yogeswaran Lokanathan and Ruszymah Bt Hj Idrus, 2021 in press.
Seminari e incontri
Seminari e incontri
REGENERA Workshop, Trento 4 Marzo 2020, DII, sala Girasole (blended/platformer zoom)
Relatori: Francesca Agostinacchio, Apoorv Kulkarni, Simone Murchio, Anna Galotta, Francesca Cestari, Nicola Covre, Athar Ali.
Incontro dottorandi di eccellenza coinvolti nel progetto REGENERA, 10 Aprile 2020, (zoom platform): F. Agostinacchio, Simone Murchio, Anna Galotta, Nicola Covre, Apoorv Sandeep, Athar Ali
Seminario 1:
Piattaforma Zoom, 16 Dicembre 2020
Relatore: prof.ssa Antonella Motta
Titolo: Nature-derived polymers in TE: how to move faster to the market
Seminario 2
Piattaforma Zoom, 3 giugno 2020
relatore: Prof. Martijn van Griensven, University of Maastricht
Titolo: Muskoloskeletal tissue engineering: in vivo model design.
Seminario 3
Piattaforma Zoom, 5 maggio 2020
Relatore: Dr Carlos Mota, University of Maastricht, NL
Titolo: Biofabrication techniques for tissue engineered constructs and in vitro models.
Seminario 4
Piattaforma Zoom, 15 maggio 2020
Relatore: Dr. Francesco Grassi, Laboratorio RAMSES, Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologna
Titolo: Harnessing biomaterials and biological stimuli to accelerate bone regeneration.
Seminario 5:
Piattaforma Zoom, 28 Aprile 2021
Relatore: Dr.ssa Shlomzion Shen, Seevix, Israel
Titolo: Interested in creatng a startup? Taking spidersilk research from academia to multinational corporations
Seminario 6:
Piattaforma Zoom, 12 Maggio 2021
Relatori: Dr. Daniele Venturini, Dr.ssa Monica Ramponi, Orthofix Italy/Global
Titolo: Is the Orthopedic Market ready for the future? Vision, trends and challenges.
Acquisizione di risorse
Acquisizione di risorse
Proposte di finanziamento presentate:
3D biospine: 3D printed BIOmaterials-based multicomponent device for in situ IVD regeneration and integration into SPINE context. (non finanziato) - Il progetto ha come obiettivo la progettazione di un dispositivo che consenta la rigenerazione dell’IVD, basato sulla medicina rigenerativa, considerando anche soluzioni personalizzabili, costi di processo e aspetti regolatori. Il prototipo verrà validato dal punto di vista biologico con studi in vitro e preclinici.
PROduct MOdelling for cell-free Tissue EngineerING, PROMOTING, H2020-MSCA- ITN-2019. Marie Sklodowska-Curie Innovative Training Networks (ITN) 2020 (non finanziato) - Il progetto si propone di formare una nuova generazione di bioingegneri, in grado di sviluppare prototipi di interesse industriale. Come casi di studio sono stati considerati la rigenerazione dell’IVD e dell’osso.
Innovative platform for designing EVs-inspired Pro-Angiogenic strategies for cell-free Tissue Engineering Innovative platform for manufacturing EVs-based Pro-Angiogenic products for cell-free TE Constructs (ProAngioTEC). H2020-FETOPEN-2018-2019-2020-01. (non finanziato) - Il progetto si pone come obiettivo la realizzazione di una piattaforma tecnologica in grado di coniugare terapie innovative basate su biomateriali, attraverso l’uso o la modellazione di vescicole extracellulari, implementandone la capacità rigenerativa in situazioni di difetti critici in tessuti vascolarizzati. Il progetto si propone anche la messa a punto del metodo di processo per garantirne la standardizzazione e metodi di validazione.
Proposte di finanziamento accettate:
Shaping Innovative Design for sustainable Tissue Engineering products (SHIFT), Marie Sklodowoska-Curie Actions, RISE, H2020-MSCA-RISE-2020 (finanziato). Sviluppo di strategie innovative per il controllo dell’angiogenesi per la guarigione di difetti cronici nel distretto osseo, basati su biomateriali, considerando la sostenibilita’ del processo, traslabilita’, e scale-up.
BIO-SPA project – Bio-mechanical investigation of sustainable printed architectures’, VRT, 2021, Francesca Agostinacchio, Francesca Perin ed Eugenia Spessot. (finanziato)
In revisione: NextGenBridge: Horizon-MSCA-2021-DN-01; Type of Action: Horizon-TMA-MSCA-DN. Proposal n. 101073410. Il programma e’ focalizzato sulla formazione di giovani ricercatori con un profilo adeguato al futuro sviluppo di strategie innovative nel settore della medicina rigenerativa, ed in particolare su rigenerazione del disco intervertebrale/vertebra e modellazione del rene per lo studio di patologie degenerative. Entrambe le problematiche sono particolarmente rilevanti in pazienti anziani, e che al momento non vedono terapie efficaci.
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