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Personalized scaffolds - Scaffold magnetici

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4° Presentazione del workshop finale del progetto Custom Implants

Personalized-Scaffolds

Studio e validazione in-vitro di scaffold microstrutturati prodotti attraverso il 3D printing in materiali bioriassorbibili colonizzati con cellule umane.
Sviluppo di un prototipo per la guida magnetica di cellule magnetizzate mediante o l'internalizzazione o un rivestimento esterno di nanoparticelle magnetiche.

Principali settori indirizzati: Manifatturiero, Meccanico, Automazione, Packaging, Medicale

Sito web del progetto: www.custom-implants.it

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Personalized scaffolds - Scaffold magnetici

  1. 1. CUSTOM IMPLANTS 1 Personalized Scaffold ˝PerSca˝ Emilia-Romagna Region, POR-FESR 2014-2020 ASSE 1 Research and Innovation Bologna, Istituto Ortopedico Rizzoli, 10 Luglio 2018 Brunella Grigolo Laboratorio RAMSES-Dipartimento RIT
  2. 2. CUSTOM IMPLANTS 2 Realizzazione mediante stampa 3D di biomateriali in grado di supportare la colonizzazione cellulare mediante guida magnetica per applicazioni di ingegneria tissutale Obiettivo
  3. 3. CUSTOM IMPLANTS 3  Stampa 3D di differenti materiali biomimetici, definizione dei parametri di progettazione e valutazioni funzionali e biologiche - Test Adesione e Proliferazione - Analisi Morfologica e Meccanica - Test Vitalità Cellulare  Acquisizione e processazione di immagini di Tomografia Assiale Computerizzata e stampa di materiali per la rigenerazione di diversi tessuti - Realizzazione di strutture custom-made - Stampa di Idrogel cellularizzati  Stampa di materiali in grado di supportare la guida magnetica cellulare - Microscopia a forza atomica - Valutazione di biocompatibilità - Valutazione del differenziamento osteogenico Attività previste
  4. 4. CUSTOM IMPLANTS 4 Stampa 3D di materiali biomimetici Realizzazione di costrutti con differenti strutture interne per valutare l’influenza della micro-architettura sulle proprietà finali mediante:  analisi morfologiche  test meccanici e biologici Scaffold in Osteoink (RegenHU, CH) a differenti porosità 300 m 400 m 500 m
  5. 5. CUSTOM IMPLANTS 5 Test Adesione e Proliferazione FBS 6 ore FBS 72 ore No FBS 6 ore No FBS 72 ore Colorazione con Toluidina Blu (concentrazione 500.000 cellule/campione)
  6. 6. CUSTOM IMPLANTS 6 In collaborazione con Lab. Tecnologia Medica, Laboratorio di Biologia Cellulare,Istituto Ortopedico Rizzoli Analisi Morfologica e Meccanica Micro-CT Test di Compressione SEM Analysis Valutazione dei parametri meccanici per le 3 differenti porosità (300m,400m,500 m) Verifica della corrispondenza della microarchitettura (diametro della fibra, dimensione dei pori) ai parametri di progettazione.
  7. 7. CUSTOM IMPLANTS 7 Test Vitalità Cellulare Analisi della vitalità cellulare al variare della distanza tra le fibre, sia del pattern di sovrapposizione: Strand Distance 400μm: A) 0-90°; B) 0-60-120°; C) 0-45-90- 135° Strand Distance 500μm: D) 0-90°; E) 0-60-120°; F) 0-45-90- 135° Strand Distance 600μm: G) 0-90°; H) 0-60-120°; I) 0-45-90- 135°
  8. 8. CUSTOM IMPLANTS 8 Imaging Medico: TAC, RMN Modello Virtuale Realizzazione dell’oggetto Modelli Custom-Made In collaborazione con SC Radiologia diagnositca ed Interventistica, Istituto Ortopedico Rizzoli
  9. 9. CUSTOM IMPLANTS 9 Modelli Custom-Made Modellazione di diversi Segmenti Anatomici Variazione dei Parametri Morfologici in Differenti Materiali Cross-section di Omero Corpo Vertebrale Falangi realizzate in Osteoink (RegenHU, CH) e PCL
  10. 10. CUSTOM IMPLANTS 10 Realizzazione di scaffold in gel di collagene di Tipo I (Advanced Biomatrix, USA) caricato con cellule mesenchimali umane, realizzati tramite tecnica direct writing e successiva analisi della vitalità tramite Live & Dead Assay Stampa di Idrogel Cellularizzati Giorno 14 Giorno 21
  11. 11. CUSTOM IMPLANTS 11 Stampa di Idrogel Cellularizzati In collaborazione con Lab. Nabi, Istituto Ortopedico Rizzoli Realizzazione di un menisco in collagene di Tipo I (Advanced Biomatrix, USA) Live & Dead assay. Le cellule mesenchimali sono vitali a 7 gg in coltura Stampa del modello precedentemente realizzato effettuata includendo all’interno del gel di collagene cellule staminali mesenchimali.
  12. 12. CUSTOM IMPLANTS 12 Prima Formulazione: PCL + nanoparticelle magnetiche Miglioramento del Potenziale Osteogenico Scaffold Magnetici Biomateriale NanoComposito: Polimero + Filler Nuova Formulazione con aggiunta di fosfati di calcio
  13. 13. CUSTOM IMPLANTS 13CUSTOM IMPLANTS 13 Realizzazione Scaffolds Magnetici Sono stati progettati e fabbricati scaffolds con diversi parametri geometrici e architettonici mediante la piattaforma di Bioprinting «3D Discovery» (RegenHU). Biomateriali privi di particelle magnetiche(- Fe2O3) sono stati fabbricati come controllo. PCL+ HA+ Fe2O3 PCL + HA- Fe2O3 Dimensione 0.5 x 0.5 x0.5 cm; diametro fibre: 0.33 mm
  14. 14. CUSTOM IMPLANTS 14 L’analisi effettuata su una cross section di fibra nel materiale composito realizzato ha permesso di evidenziare la presenza di particelle magnetiche (nero) e suggerire la presenza di particelle di idrossiapatite parzialmente sepolte (blu), nonché l’assenza di formazione di cluster Topografia Fase meccanica Fase magnetica 1 Microscopia a forza atomica Immagini di Mister
  15. 15. CUSTOM IMPLANTS 15 Valutazione Biocompatibilità L’ analisi di biocompatibilità su scaffold compositi a base di PCL/HA, in presenza ed assenza di particelle di Fe2O3 combinati con cellule mesenchimali (MSC) da midollo (1x106 cellule/scaffold) è stata valutata a livello microscopico e con test Alamar blu per valutare l’attività metabolica cellulare. PCL/HA +Fe2O3 PCL/HA Giorno 1 Giorno 11 ** * * * * * * MSCs da midollo Entrambi i costrutti cellularizzati a base di PCL/HA +/- Fe2O3 non sono citotossici; le cellule sono metabolicamente attive ai tempi esaminati. Test Alamar Blu PCL/HA PCL/HA + Fe2O3
  16. 16. CUSTOM IMPLANTS 16 Differenziamento osteogenico La valutazione del potenziale osteogenico è stata condotta sugli scaffold a base di PCL/HA con particelle di Fe2O3 (PCL/HA +Fe2O3) mediante allestimento di colture in vitro in presenza o assenza di fattori osteogenici (FO) ai giorni 7, 14 e 21 e colorazione istologica con Alizarin Red. - FO Giorno 14 Giorno 21 + FO  I costrutti a base di PCL/HA+Fe2O3 senza FO presentano una moderata capacità intrinseca a differenziare in senso osteogenico Rosso: Matrice mineralizzata  I più alti livelli di mineralizzazione ossea sono stati osservati nei costrutti a base di PCL/HA+Fe2O3 contenenti FO
  17. 17. CUSTOM IMPLANTS 17 In conclusione: E’ stata dimostrata la possibilità di realizzare scaffolds in differenti materiali biomimetici con diverese proprietà biologiche e meccaniche in funzione dell’architettura Attraverso la piattaforma di 3D bioprinting è stato possibile realizzare strutture personalizzate (custom-made) a partire da dati clinici dei pazienti Il processo di bioprinting ha permesso di includere cellule umane all’interno dei diversi biomateriali per applicazioni di rigenerazione tissutale Sono state realizzate strutture magnetiche in grado di indurre una migliore colonizzazione cellulare dei costrutti mediante un sistema apposito con guide magnetiche (MISTER).
  18. 18. CUSTOM IMPLANTS 18 Mauro Petretta Carola Cavallo Giovanna Desando
  19. 19. CUSTOM IMPLANTS 19

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