Ingegneria dei Tessuti

Ingegneria dei Tessuti

Materiali e tecnologie per la realizzazione di scaffold

Pt.2

• Lezione del 11/10/2017

Phase Separation

Nel caso di TIPS, si ha una diminuzione del potere del solvente variando la temperatura della soluzione;

Nel caso di DIPS, si ha una variazione del potere del solvente mediante l’introduzione in soluzione di un non solvente.

Dopo la separazione della soluzione in una fase ricca in polimero ed in una ricca in solvente, il solvente e l’eventuale non solvente (nel caso di DIPS) presenti in soluzione vengono rimossi per estrazione, evaporazione o sublimazione.

Consiste nella creazione di matrici porose mediante smiscelazione termodinamica di un sistema polimero-solvente in due fasi distinte, una ricca in polimero e l’altra in solvente o miscele di solventi.

Esistono due tipologie di separazione di fase:

1. Separazione di fase indotta chimicamente, Chemically Induced Phase Separation (CIPS). Un esempio di questo fenomeno è dato dalle tecniche di polimerizzazione di un monomero all’interno di una soluzione o di una emulsione. In questo modo, la polimerizzazione riduce il contenuto di monomero, induce l’insolubilità del polimero e, quindi, la separazione di fase.

2. Separazione di fase indotta fisicamente, la quale a seconda che la forza spingente sia di natura termica o diffusiva si indica come Thermally Induced Phase Separation (TIPS) o Diffusion Induced Phase Separation (DIPS).

Phase Separation

Meccanismi di separazione di fase:

1. Meccanismo di smiscelazione liquido-liquido, in cui si genera una fase ricca in polimero ed una ricca in solvente e la crescita e la coalescenza della fase povera in polimero provoca la formazione di una struttura porosa;

2.Meccanismo di smiscelazione solido-liquido, il quale ha luogo quando la temperatura è sufficientemente bassa da consentire il congelamento del solvente, per cui si forma solvente solido e fasi polimeriche concentrate.

Dopo la rimozione del solvente liquido o congelato, rispettivamente, dalla soluzione smiscelata lo spazio rimanente sarà costituito da vuoti (pori).

Esempio di separazione di fase

Phase Separation

L’architettura porosa generatasi deve essere accuratamente preservata per evitare che collassi in seguito alla rimozione del solvente.

Esistono diverse tecniche in letteratura per conservare la struttura porosa ottenuta mediante separazione di fase:

1) Freeze-drying, consiste in una tecnica di rimozione dalla soluzione del solvente congelato (in seguito ad immersione del campione in azoto liquido) mediante un processo di sublimazione sotto vuoto.

Se, invece, si aumentasse la temperatura per favorire l’estrazione del solvente mediante evaporazione, si potrebbe generare una rimiscelazione della soluzione o una fusione della soluzione congelata, determinando così la distruzione della struttura porosa.

Phase Separation

2) Freeze-extraction, consiste nel fissare e rendere meccanicamente stabile la struttura porosa regolando opportunamente le condizioni di congelamento, in modo che nello stadio successivo di essiccamento non sia necessario procedere al freeze-drying.

Schiuma in PLGA

Questo metodo consiste nel congelare le soluzioni polimeriche (in genere il polimero è PLLA o PLGA) e nella successiva immersione in un bagno di non- solvente in modo da promuovere lo scambio tra solvente e non solvente ad una temperatura inferiore a quella di congelamento della struttura. In questo modo, il solvente viene estratto dalla matrice prima dello stadio di essiccamento. Successivamente, il polimero sarà circondato da non-solvente e, quindi, la sua ridissoluzione non sarà più possibile e lo stadio del freeze- drying sarà eliminato.

Phase Separation

Phase Separation

Lo studio della termodinamica e della cinetica di separazione di fase costituisce uno strumento indispensabile per analizzare l’effetto dei diversi parametri sulla morfologia finale.

I parametri che possono essere variati sono:

• Concentrazione di polimero;

• Tipo di solvente;

• Velocità di raffreddamento;

• Temperatura finale;

Phase Separation

Un tipico diagramma di equilibrio (composizione/temperatura) per la separazione di fase liquido-liquido di un sistema binario (polimero/solvente) o pseudobinario (polimero/solvente/non solvente in cui la composizione di una delle tre componenti del sistema viene mantenuta costante) è rappresentato in figura:

Lower Critical Solution Temperature (LCST)

Upper Critical Solution Temperature (UCST)

La curva interna alla lacuna di miscibilità è la spinodale, quella esterna la binodale.

• Al di sotto della curva spinodale vi è la regione di instabilità;

• Al di sopra di quella binodale vi è la regione stabile di soluzioni omogenee;

• Tra le due curve vi è la regione di metastabilità.

Phase Separation

La separazione tra le due fasi, una ricca in polimero e l’altra in solvente, può avvenire attraverso due distinti meccanismi:

1.Decomposizione binodale (nucleazione e crescita);

2.Decomposizione spinodale.

Il primo processo, ossia di nucleazione e di crescita, avviene nella regione metastabile; il secondo, invece, ha luogo all’interno della regione delimitata dalla curva spinodale (instabile).

Le strutture ottenute mediante questi due meccanismi sono molto diverse tra loro.

Infatti, la natura della morfologia sviluppata in seguito ad un processo di separazione di fase dipende dal particolare cammino di separazione di fase percorso nel diagramma termodinamico:

• A concentrazioni molto basse o molto alte di polimero, quest’ultimo cristallizza direttamente dalla soluzione e le morfologie risultanti sono praticamente dense;

Phase Separation

• Se la separazione avviene per DECOMPOSIZIONE SPINODALE (composizione critica), ossia la LLPS avviene prima della cristallizzazione del polimero, le strutture risultanti sono microporose fibrose (FMP).

Phase Separation

Phase Separation

 Per concentrazioni di polimero maggiori di quella critica, la fase ricca in solvente nuclea e la successiva cristallizzazione della fase ricca in polimero determina la formazione di una struttura a morfologia microporosa “cell-tunnell” (dimensioni superiori a 10 µm) (CTMP).

GMP morphology CTMP

morphology

• Il meccanismo di DECOMPOSIZIONE BINODALE può generare due diverse morfologie, dipendentemente dalla posizione rispetto al punto critico:

 Per concentrazioni di polimero minori della concentrazione critica, per raffreddamento nuclea una fase ricca in polimero. Raffreddando ulteriormente si ha cristallizzazione all’interno della stessa fase, ottenendo strutture microporose globulari (GMP) (dimensioni intorno al µm).

Rapid Prototyping (RP) o Solid Freeform (SFF)

Tecnologie basate su sistemi di elaborazione automatica delle immagini:

• CAD (computer-aided design): progettazione assistita al calcolatore;

• CAM (computer-aided manifacturing): fabbricazione assistita al calcolatore.

Risonanza magnetica (Magnetic Resonance Imaging, MRI) Tomografia assiale computerizzata (TAC).

TAC

La TAC esegue una stratificazione assiale dell’oggetto in esame, sfruttando una sorgente a raggi x ed una serie di sensori. Sovrapponendo i vari strati attraverso algoritmi matematici opportuni si ha una descrizione completa del volume.

Limitazioni nell’uso della TAC a causa dell’alta dose di radiazioni che possono essere nocive per l’organismo.

MRI

La MRI si basa sullo stesso principio di ricostruzione delle immagini della TAC, ma usa radiazioni in forma di radio-onde, che comportano rischi molto minori e permettono di ottenere migliori risoluzioni, con l’inconveniente, però, di tenere il paziente immobile per lungo tempo.

Rapid Prototyping (RP) o Solid Freeform Fabrication(SFF)

Le tecniche RP si basano sulla costruzione degli oggetti strato per strato.

Le tecniche di SFF sono tecniche di fabbricazione computerizzata che possono rapidamente produrre oggetti fisici tridimensionali altamente complessi utilizzando dati generati da sistemi CAD.

Tali metodologie permettono di controllare con elevata precisione morfologia ed architettura finale dello scaffold, ma risultano molto costose.

Le tecniche RP maggiormente utilizzate nel campo dell’ingegneria dei tessuti sono:

• Sistemi basati sulla tecnologia a stampa (3D Printing);

• Sistemi basati sulla tecnologia laser (Stereolithography- ST- Selective Laser Sintering – SLS);

• Sistemi basati sulla tecnologia dell’estrusione (Fused Deposition Modelling – FDM; Precision Extruding Manufacturing – PEM).

Solid Free Form

Consentono di predefinire al calcolatore la forma sia microscopica che macroscopica dello scaffold per ottenere il prodotto finito con le forme desiderate.

Esempio: (a) Dati di esplorazione diagnostica mediante

tomografia computerizzata (CT) di un paziente con difetto osseo;

(b) Tali dati vengono utilizzati per creare un modello 3D al computer;

(c) Il modello viene importato nel software del sistema RP per essere suddiviso in sottili strati orizzontali;

(d) I dati suddivisi vengono inviati alla macchina RP come istruzioni;

(e) La macchina RP costruisce lo scaffold strato per strato;

(f) (g) La tecnologia RP produce eccellenti modelli per il trattamento di difetti ossei complicati;

Three-Dimensional Printing (3DP)

3DP è un processo basato sulla realizzazione di getti di solvente legante (binder) mediante l’ugello di una testina di stampa su un letto di materiale polverizzato.

a) Si distribuisce uno strato di polvere su un piano di lavoro;

b) Si inietta un materiale legante sulla polvere, con una tecnologia simile alla stampa a getto d’inchiostro;

c) Il letto viene abbassato ad una distanza prefissata in modo da potervi depositare un nuovo strato di polvere sul quale viene iniettato il legante;

d) Il processo viene ripetuto strato per strato finché non si ottiene la struttura tridimensionale desiderata;

e) L’oggetto viene estratto dal letto di polvere e la polvere in eccesso viene rimossa.

• VELOCITÀ DELLA TESTINA

• PORTATA DI INIEZIONE

Three-Dimensional Printing (3DP)

Rapid Prototyping (RP) o Solid Freeform Fabrication(SFF)

VANTAGGI

• FORMA COMPLESSA;

• PROGETTI SU MISURA;

•ALTA PRODUTTIVITÀ con una minima forza lavoro;

• Strutture con una morfologia dei pori accurata e regolare;

• L’ottimizzazione della progettazione del costrutto facilita l’adesione e la proliferazione cellulare e quindi la produzione di matrice extracellulare (ECM);

• CONDIZIONI DI PROCESSO;

• MICROSTRUTTURE ANISOTROPE

Three-Dimensional Printing (3DP)

VANTAGGI

• La versatilità e la semplicità della tecnologia 3DP permette l’utilizzo di un’ampia varietà di biomateriali;

• Il 3DP operando a temperatura ambiente permette l’utilizzo di materiali sensibili alla temperatura;

• La microstruttura dello scaffold può essere modulata variando la velocità di stampaggio e la velocità di efflusso del liquido legante, in modo da ottenere strutture altamente omogenee o matrici con un’anisotropia strutturale controllata;

• possibilità di incorporare agenti biologici o farmaceutici:

SVANTAGGI

• bassa porosità: La dimensione dei pori dello scaffold dipende dal range dimensionale della polvere utilizzata e dalla distanza tra gli strati, quindi è limitata a dimensioni ridotte. Agenti porogeni;

• potenziale tossicità: 3DP utilizza spesso solventi organici tossici come leganti per dissolvere polveri polimeriche.

Three-Dimensional Printing (3DP) Indiretto

Realizzazione di scaffold attraverso un processo indiretto di 3DP, nel quale viene stampato uno stampo e il materiale viene colato nelle sue cavità per superare le limitazioni del 3DP diretto.

LIMITAZIONI 3DP

1) Dimensione dei pori

Tipico spessore degli strati 150 µm o minore per massimizzare il collegamento tra gli strati;

AGENTE POROGENO

Tale aumento di spessore richiede una penetrazione verticale addizionale delle goccie di legante, problematica perchè la dimensione delle goccie è in genere ridotta (<70 µm) con una bassa energia cinetica per massimizzare l’accuratezza e la risoluzione del processo.

2) L’utilizzo della tecnologia diretta del 3DP richiede l’uso di macchinari costosi, sistemi di controllo software e operatori esperti.

Un approccio indiretto, in cui viene realizzato uno stampo con la tecnologia del 3D-Printing ed il materiale finale viene colato nelle cavità dello stampo può superare le limitazioni della tecnica diretta.

Three-Dimensional Printing (3DP) Indiretto

Realizzazione dello stampo

1) Progettazione stampo ZIGOMO

• Tomografia computerizzata (TAC);

• Uno stampo virtuale viene definito attraverso elaborazione software CAD.

2) Uno strato di 100 µm di polvere di gesso setacciata viene spruzzato per ogni strato ed il legante stampa selettivamente la struttura.

3) Stampo in gesso imbevuto di PEG per:

1) facilitare la successiva rimozione dello scaffold dallo stampo;

2) aumentare la qualità superficiale dello scaffold riempiendo i pori superficiali;

3) aumentare la resistenza dello stampo in gesso al colaggio del solvente.

Three-Dimensional Printing (3DP) Indiretto

Realizzazione dello Scaffold

• Il PLGA viene dissolto in una miscela di cloroformio e metanolo;

• Saccarosio viene setacciato in particele di diametro 100-150 µm per scaffold-villi e 300-500 µm per lo scaffold a forma di zigomo;

• La soluzione polimerica ed il saccarosio vengono colati nello stampo;

• Gli scaffold vengono asciugati;

•Il solvente viene rimosso attraverso freeze-dry;

• Lo stampo ed il saccarosio vengono rimossi simultaneamente attraverso

l’immersione in acqua dello stampo.

Three-Dimensional Printing (3DP) Indiretto

ZIGOMO

La struttura dello zigomo (b) viene ricostruita da immagini ottenute direttamente da un paziente attraverso CT (a).

Scaffold per la sostituzione dello zigomo vengono ottenuti attraverso uno stampo che rappresenta il negativo del modello 3D (c,d).

Con tale tecnologia di 3DP indiretta si possono ottenere PORI di dimensioni ottimali per la sostituzione del tessuto osseo: 200-400 µm.

La morfologia interna dei pori si presenta altamente interconnessa e nel range dimensionale 300-500 µm.

Bioplotter

Consiste in un dosaggio tridimensionale di un polimero fuso, una soluzione polimerica o un idrogelo.

Il materiale viene caricato in un estrusore e plottato attraverso un ugello, le cui dimensioni definiscono il diametro della fibra.

La struttura può essere realizzata senza una struttura di supporto temporanea.

1) Gel termoreversibili 2) Materiali crosslinkabili

PARAMETRI IMPORTANTI:

• viscosità del polimero;

• portata di materiale che esce dall’ugello;

• velocità della testina di stampa;

• spessore di ogni strato stampato.

Bioplotter

Bioplotter

Confronto 3-D Bioplotting e 3D Printing

Tecniche di 3DP e 3DBP per la realizzazione di scaffold per la tissue engineering realizzati in poliuretano biodegradabile.

Progettazione CAD dello scaffold

Le strutture filamentari sono distribuite in maniera parallela nel singolo strato e ruotate di 90°

negli strati adiacenti.

In questo modo è possibile ottenere scaffold per la tissue engineering con una porosità interconnessa, corrispondente agli spazi vuoti tra gli strati adiacenti di filamenti.

L’immagine CAD dell’architettura dello scaffold è simile per entrambe le tecniche.

Confronto 3-D Bioplotting e 3D Printing

Caratterizzazione porosità interna

In fig. è rappresentata la ricostruzione 3D di alcuni strati ottenuti attraverso analisi a raggi x della microtomografia computerizzata (μCT).

Le tecnologie di Rapid prototyping realizzano strutture con una porosità più chiusa rispetto al disegno CAD.

I filamenti ottenuti in 3DP mostrano una forma rettangolare, mentre quelli realizzati con 3DBP mostrano una forma più o meno ovale.

3DP

3DBP

Stereolitografia

Principio di base: fotopolimerizzazione di una resina fotosensibile mediante l’energia di una radiazione elettromagnetica a frequenza ben definita.

“Resine di fotopolimeri”: miscele di monomeri a basso peso molecolare capaci di reagire tra loro e formare lunghe catene polimeriche se vengono attivati da un fascio energetico compreso in uno specifico range di lunghezze d’onda.

Esistono due tipologie di macchinari

per realizzare i processi di fotopolimerizzazione:

I. raggio laser

II. lampade schermate

Entrambi i sistemi vengono collegati ad un sistema di scansione che permette

l’elaborazione grafica computerizzata dei dati puntuali attraverso una tecnica detta

stereolitografia.

Stereolitografia

• Entrambe le tipologie si basano su fonti radianti pilotate da sistemi computerizzati che innescano le reazioni chimiche dei monomeri ad esse sensibili;

• Con l’utilizzo del LASER si ottengono scaffold per la ricostruzione del tessuto osseo con porosità compresa tra 70 e 95% e controllo delle caratteristiche microscopiche fino a 70 micron.

•il metodo non è applicabile ad altri tipi di materiali quali metalli, ceramiche o altri compositi.

Stereolitografia

Questa macchina consta di 4 parti fondamentali:

1. SERBATOIO riempito con diverse quantità di fotopolimero liquido;

2. PIATTAFORMA PERFORATA immersa nel serbatoio. Tale piattaforma può spostarsi verso l’alto o verso il basso durante il processo di printing;

3. LASER a raggi UV;

4. Un COMPUTER che muove il laser e la piattaforma.

Il fotopolimero è sensibile ai raggi UV, per cui quando i raggi toccano il fotopolimero questo si indurisce.

Schematizzazione della tecnologia mediante laser

Stereolitografia

Stereolitografia

• Scelta limitata di biomateriali fotopolimerizzabili che presentano le caratteristiche richieste:

biocompatibilità, biodegradabilità, stabilità meccanica…

PEG acrilato, PEG metacrilato, polissaccaridi tipo acido ialuronico e destrano.

• Dopo la realizzazione del prodotto, esso deve essere trattato in un forno a raggi

ultravioletti per indurirlo, in modo tale che non rimanga alcuna resina liquida o

parzialmente indurita. Infine, dopo il curing l’oggetto viene sottoposto a trattamenti

di finitura per levigare le irregolarità delle superfici.

Stereolitografia: Applicazioni

Sviluppo del modello strutturale dell’osso spongioso

a) L’oggetto richiesto viene creato al computer utilizzando una tecnica di modellazione 3D standard e poi convertito in formato STL che consiste nel suddividere l’oggetto in una serie di strati sottili;

b) All’inizio del processo, l’elevatore è posizionato giusto al di sotto della superficie della resina liquida. I raggi laser irradiano lo strato superiore della superficie della resina che immediatamente solidifica.

c) L’elevatore si abbassa e la resina viene sparsa di nuovo sulla superficie del serbatoio prima di una nuova scansione. In questo modo si realizzano strati solidi successivi che si uniscono tra loro per produrre un singolo oggetto solido.

Stereolitografia: Applicazioni

• Il laser è in grado di indurire la resina del 60%, il processo di indurimento viene completato all’interno di una stufa a raggi ultravioletti;

• La risoluzione di questo processo è governato dalla dimensione del raggio laser (il diametro tipico è di circa 0,3 mm) e dal movimento verticale dell’elevatore (circa 2,5 micron);

• Lo spessore minimo di ciascun strato è di circa 0,1 mm.

Per questa applicazione specifica viene utilizzata una resina XB5154 di densità 1,12 g/cm

e sono stati realizzati campioni cubici di dimensioni 20 mm.

Campioni realizzati mediante stereolitografia con

diametro delle barre di 1 mm (70% di porosità) e 0,4

mm (95% di porosità). Quindi, la porosità dei

campioni aumenta al diminuire del diametro delle

barre che costituiscono il modello 3D.

Selective Laser Sintering (SLS)

RAGGIO LASER DI CO₂ per sintetizzare in modo selettivo polveri di polimero o di un composito (polimero/ceramico, metallo multifase) per realizzare strati di materiale.

Durante la fabbricazione, l’oggetto è circondato e sostenuto da polvere non processata che deve essere rimossa dopo la fabbricazione.

Porosità dovuta alle basse forze di compattazione della polvere

La POROSITÀ degli oggetti realizzati mediante SLS può essere controllata variando i parametri di processo.

Selective Laser Sintering (SLS)

Materiali più utilizzati sono:

• Nylon e suoi compositi;

• Sabbia;

• Cere;

• Metalli;

• Policarbonati;

• Policaprolattone (PCL).

VANTAGGI

1. più economici delle resine utilizzate per il processo di stereolitografia;

2. non si utilizzano solventi tossici;

3. possono essere sintetizzati con laser a potenza relativamente bassa.

SVANTAGGI

1. gli oggetti realizzati devono essere sottoposti ad un lungo raffreddamento all’interno della macchina prima di poter essere rimossi;

2. i materiali esposti ai raggi laser possono essere soggetti a degradazione, scissione dei crosslinks e ossidazione.

Selective Laser Sintering (SLS)

In figura sono riportate 2 immagini di scaffold fabbricati con la tecnologia SLS a partire da:

• elevato grado di POROSITÀ e di interconnessione dei pori.

• scaffold ALTAMENTE RIPRODUCIBILI se si controllano parametri di processo come la potenza del laser, la velocità di scansione e la temperatura del letto di polvere.

• DIMENSIONE DEI PORI dipende dalla dimensione delle particelle di polvere di partenza e dalla pressione di compattazione esercitata sul letto di polvere durante la deposizione degli strati.

SLS:Applicazioni

Realizzazione di scaffold in PCL per la rigenerazione del tessuto osseo

• Scaffold porosi cilindrici (12,7 mm di diametro e 25,4 mm di altezza) sono stati progettati mediante software di modellazione solidi 3D;

• I progetti vengono poi esportati in formato file STL ed utilizzati per realizzare scaffold da polvere di PCL mediante SLS. La distribuzione dimensionale della polvere varia da 10 a 100 micron;

• La polvere viene preriscaldata a 49,5°C e soggetta a scansione laser (il diametro del raggio laser è di 450 micron) ad una potenza di 4,5 W e velocità di scansione di 1,257 m/s.

• Gli scaffold vengono realizzati strato per strato utilizzando strati di polvere di spessore di 100 micron;

• Gli oggetti prodotti vengono lasciati raffreddare all’interno della macchina per circa 1 h;

• L’eccesso di polvere viene rimossa mediante pistola ad aria compressa;

• Gli scaffold ottenuti hanno una porosità che varia tra 63 e 79%.

Fused Deposition Modelling (FDM)

E’ una tecnica Rapid Prototyping che consente di realizzare scaffold 3D riproducibili, riassorbibili e con un network di pori totalmente interconnesso.

Utilizza un piccolo estrusore a temperatura controllata per forzare un filamento di materiale termoplastico e depositare il polimero semifuso su una piattaforma con un processo che viene ripetuto strato dopo strato.

LIQUEFIER

L’oggetto progettato viene quindi realizzato come prodotto tridimensionale grazie alla deposizione precisa di successivi sottili strati di estruso.

Il percorso di deposizione ed i parametri di ogni strato dipendono da:

• materiale utilizzato;

• condizioni di fabbricazione;

• applicazione cui è destinato l’oggetto;

• scelte del progettista.

Fused Deposition Modelling (FDM)

Strutture realizzate mediante FDM.

In particolare, l’ingrandimento mostra come i pori siano interconnessi in modo tridimensionale.

La porosità può essere modellata cambiando una seria di fattori, quali:

(1) angolo di deposizione;

(2) lo spessore del materiale depositato;

(3) lo spazio tra i cammini di deposizione.

Organ printing

Tecnica di Rapid prototyping basata sulla deposizione strato per strato di cellule o aggregati di cellule in un gel.

1) Progettazione assistita al calcolatore (CAD) di organi specifici.

2) Realizzazione del costrutto 3D attraverso la deposizione strato per strato di cellule o aggregati di cellule in un gel termoreversibile

3) Bioreattori per accelerare la maturazione dell’organo

Organ printing

ESEMPIO

a) Modello di cell printer

b) Cellule endoteliali bovine aortiche c) Spessore strati stampati

d) Cell printer

e) Testa di stampaggio dotata di 9 ugelli