La sfida dell’ingegneria dei tessuti è duplice: da un lato si tratta di realiz- zare un supporto temporaneo per cellule che guidi lo sviluppo di un nuovo tessuto in 3D, e dall’altro si tratta di studiare e riprodurre le condizioni che consentano alle cellule di crescere, moltiplicarsi e differenziarsi nei diversi tipi di tessuti.
I requisiti che deve avere uno saffold sono numerosi, ad esempio fornire adeguate proprietà meccaniche in base al tessuto da rigenerare, gli adeguati stimoli chimici, avere un’adeguato tempo di degradazione, essere biocom- patibile. Per biocompatibilità si intende solitamente un duplice concetto: biocompatibilità superficiale, che è strettamente correlata al materiale di co- struzione, e biocombatibilità strutturale che dipende dalla sua nano/micro architettura che è di fondamentale importanza per garantire la bioattivtà cellulare.
Poiché allo stato attuale non esistono molti sistemi di fabbricazione che, anche utilizzando materiali differenti (per ricreare le adeguate proprietà mec- caniche del tessuto da rigenerare), consentano un controllo dell’architettura con risoluzione nane e micro metrica, questo lavoro di tesi ha come obiettivo la progettazione e realizzazione di un manipolatore robotico per microfab- bricazione multiscala e multimateriale per realizzare strutture bioispirate mediante un semplice cambio di tool:
Il processo di progettazione sarà strutturato in quattro fasi : 1. Definizione delle specifiche;
2. Dimensionamento geometrico e dinamico;
3. Modellizzazione CAD del manipolatore e dei relativi tool per micro- fabbricazione;
4. realizzazione del prototipo di validazione.
Nella definizione delle specifiche, per prima cosa sarà necessario decidere l’architettura robotica da adottare e quali tecnologie di micro/nano fabbri- cazione riuscire ad integrare nel sistema.
Un’altra specifica di progetto importante che dovrà essere definita è lo spazio di lavoro del manipolatore: questo verrà definito in base alla dimensione delle strutture che dovranno essere realizzate.
Inoltre in base all’applicazione del sistema robotico, saranno selezionati una serie di materiali con i quali poter costruire il manipolatore; tra le spe- cifiche sarà necessario inserire anche quella relativa alla velocità che dovrà avere il sistema, e il carico che dovrà trasportare.
Partendo dalla specifica relativa allo spazio di lavoro, algoritmi basati sulla cinematica inversa, saranno utilizzati per determinare la lunghezza ot- timale dei vari link che costituiranno il robot; Inoltre dopo aver calcolato la matrice jacobiana del manipolatore adottato, verrà eseguito il dimensiona- mento dinamico, ovvero a partire da un modello della dinamica inversa sarà possibile individuare quali attuatori selezionare per far eseguire all’organo terminale una determinata legge di moto.
Infine sulla base dei risultati ottenuti dall’anali delle specifiche e dall’ana- lisi dimensionale, sono stati scelti i vari componenti, in modo da disegnare e progettare la struttura usando un software di modellazione cad 3D dedicato. Verrano realizzati anche modelli CAD anche relativi ai moduli di micro/nano fabbricazione selezionati.
Successivamente verrà realizzato un prototipo di validazione, in dimen- sioni scalate rispetto a quello progettato, per verificare il modello cinematico implementato. Su questo prototipo saranno fatti anche test funzionali, come ad esempio prove di ripetibilità. La movimentazione del prototipo durante questi test sarà gestita tramite elettronica open-source.
Inoltre verranno realizzati i vari moduli di fabbricazione, i quali verrano opportunamente testati e caratterizzati prima di essere integrati nel sistema robotico.
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Capitolo 3
Dal prodotto alla macchina:
progettazione e specifiche del
sistema di μ-fabbricazione
In questo capitolo viene descritto come un manipolatore Maryland è sta- to progettato ad hoc per implementare tecniche di microfabbricazione co- me PAM2, PAM, FDM e elettrofilatura per ottenere scaffold multiscala e multimateriali che trovano applicazioni in campo biomedico.
3.1
Quale deve essere il prodotto
nale?
La quasi totalità dei tessuti biologici possiede un’architettura e un’organiz- zazione spaziale caratterizzata da una struttura gerarchica a partire dalla scala nanometrica fino a quella millimetrica strettamente correlata alle fun- zioni dei tessuti stessi. Per questo motivo, un buon punto di arrivo per questo lavoro di tesi, sarebbe quello di realizzare scaffold multi-materiale processati su scale multiple, con adeguate proprietà meccaniche e strutturali, capaci di fornire condizioni ottimali per l’adesione e proliferazione cellulare emulando il ruolo svolto dalla matrice cellulare.
Dal punto di vista strutturale, a livello nanometrico questi scaffold è ne- cessario che abbiano a disposizione una vasta superficie per la distribuzione di ligandi e siti di adesione, promuovendo lo sviluppo dell’espressione feno- tipica desiderata per la rigenerazione di un tessuto funzionale; considerando invece il livello micrometrico, occorre che questi esibiscano una struttura porosa che permetta un’adeguata perfusione di nutrienti, la rimozione dei
prodotti di scarto del metabolismo cellulare e la possibilità di sviluppare una rete capillare, attraverso l’innesco di processi angiogenici.
Spostandosi verso un ordine di grandezza superiore di osservazione, infi- ne, occorre realizzare un costrutto con morfologia compatibile con quella del tessuto trattato e con dimensioni adeguate per la corretta collocazione nel sito d’impianto.
In particolare questo lavoro di tesi si è posto come obiettivo quello di realizzare scaffold in PCL integrati con una rete di nanofibre in gelatina, oppure strutture bioispirate a base di idrogel.