CAPITOLO 1
Introduzione
Lo scopo di questo lavoro di tesi è la realizzazione di un sistema basato sull’impiego di array di nanotubi di carbonio (CNT acronimo dal termine originale inglese), per la progettazione di interfacce neurali a rilascio controllato di farmaco. La prospettiva futura è l’impiego in ambito medico e biologico per la rilevazione di segnali neurali durante la diffusione di fattori di crescita o farmaci.
In questi ultimi anni sono in fase di studio e di sperimentazione numerose tipologie di interfacce, in grado di prelevare segnali elettrici direttamente al livello del sistema nervoso centrale e periferico. In questo contesto si inserisce questo lavoro di tesi che ha lo scopo di fornire basi razionali per lo sviluppo e la progettazione di interfacce neurali che, rispetto a quelle per ora esistenti, sfruttino un’ulteriore combinazione di principi meccanici, fisici e biologici, consentendo allo stesso tempo il rilascio di agenti chimici e biochimici.
Lo sviluppo di dispositivi per applicazioni neurali appare molto complesso ed è necessario considerare una vasta gamma di problematiche che vanno da quelle più direttamente riconducibili all’ingegneria e quelle di ordine prettamente bio-fisico e medico. Trattandosi di dispositivi che vengono in diretto contatto con tessuti biologici viventi, la loro progettazione non può prescindere né dalla conoscenza del comportamento meccanico dei suddetti tessuti sottoposti a sollecitazione, né dalle ripercussioni di ordine biologico che si prevedono in conseguenza di una loro eventuale applicazione cronica.
La scelta dei CNT come matrice di supporto è dovuta al fatto che essi possono essere ritenuti potenziali materiali per poter stabilire intricate connessioni a livello neurale grazie alle caratteristiche elettriche, meccaniche e di biocompatibilità che li contraddistinguono. Essi, infatti, sono tra i materiali più resistenti e duri, hanno un modulo di Young di circa 1-2 TPa e che può raggiungere anche decine di TPa in strutture sono prive di difetti.
Capitolo primo - Introduzione
Per quanto riguarda le caratteristiche elettriche, il trasporto elettronico nei nanotubi ha luogo lungo la lunghezza, per cui essi sono in grado di trasportare correnti elevate senza surriscaldarsi. Sebbene la natura dell’interazione tra i CNT e le cellule non sia ancora pienamente conosciuta, altri biomateriali basati su carbonio hanno dimostrato eccellente biocompatibilità a lungo termine in applicazioni e dispositivi medici.
Studi riportati in letteratura hanno dimostrato che CNT ricoperti da un sottile strato di polipirrolo (PPy) e collagene promuovono la crescita di cellule neurali (la linea cellulare impiegata nello studio è la PC12) e aggiungendo il fattore di crescita l’ NGF nei giorni successivi, le cellule sono state soggette anche a differenziazione, a dimostrazione del fatto che il substrato è ottimale per le culture cellulari.
In particolare, questo lavoro di tesi prende spunto dagli studi fatti in letteratura, ma sarà incentrato principalmente sulla progettazione di un sistema basato su array di CNT come rilascio di farmaco, valutando l’efficacia della diffusione dell’agente direttamente su cellule coltivate sulla matrice 3D realizzata.
Per migliorare le caratteristiche elettriche e meccaniche dell’array di CNT sarà effettuato un coating di PPy.
Il PPy è un polimero conduttivo che viene depositato elettrochimicamente sulla superficie dei nanotubi. La deposizione di tale film, consente ai CNT di mantenere il loro allineamento verticale evitando il fenomeno dello steaking, ossia quel fenomeno per cui le i CNT tolti da una soluzione acquosa tendono ad unire le punte a causa delle forze elettrostatiche.
La seconda parte del lavoro sarà incentrata invece sulla scelta dei materiali da impiegare per il rilascio. Una volta verificato che il PPy non è un buon sistema di rilascio, contrariamente a quanto riferito in letteratura, si procederà a testare materiali alternativi quali il collagene e l’alginato, quest’ultimo in particolare già ampiamente utilizzato. Alla scelta del materiale seguirà la progettazione del film: la prima specifica da considerare sarà lo spessore; (che dovrà confrontarsi con quello dell’array di nanotubi di carbonio, alti soltanto pochi micron). La seconda specifica da rispettare è quella di garantire un rilascio lungo, dell’ordine di alcuni giorni. Saranno pertanto effettuate prove di rilascio della proteina (albumina) da film sia di alginato che di collagene, in modo da poter valutare la diffusione della stessa nel bulk di rilascio.
Capitolo primo - Introduzione
Tali prove dimostreranno che il film di alginato, contrariamente a quelli di collagene, soddisfa le specifiche menzionate.
Eseguito perciò un doppio coating di PPy e alginato con intrappolata l’albumina fluorescente come agente di rilascio sarà possibile, al termine di tale lavoro procedere alla validazione in vitro sulla coltura cellulare. Le cellule utilizzate sono i fibroblasti felini Crandell.
L’efficacia del sistema realizzato sarà testata andando a valutare, tramite microscopia a fluorescenza, la quantità di proteina rilasciata nelle cellule a tempi diversi (6 ore, 12 ore e 24 ore).
