Scaffold osteocondrali funzionalmente graduati: proof-of-concept, analisi CFD e progettazione di un sistema automatizzato per la loro realizzazione

La perdita o il danneggiamento di organi o tessuti a causa di traumi o di invecchiamento, rappresentano una delle principali preoccupazioni nel settore sanitario in quanto sono un problema costoso e devastante. Questo ha portato allo sviluppo dell’Ingegneria dei Tessuti (TE), che mira a creare sostituti biologici per riparare o sostituire gli organi ed i tessuti danneggiati. Uno degli approcci più promettenti in TE è far crescere cellule su scaffold biodegradabili, che agiscono come supporti temporanei per l’adesione cellulare, la proliferazione e la differenziazione, dopodiché tali scaffold degradano lasciando il tessuto sano rigenerato. La principale sfida negli scaffold per TE risiede nella progettazione e nella fabbricazione di costrutti biodegradabili con proprietà tali da favorire l'adesione cellulare e supportarne la crescita, la proliferazione, la differenziazione, e facilitare la formazione di matrice extra cellulare (ECM). Criteri di fondamentale importanza nella progettazione e fabbricazione degli scaffold per TE includono la scelta di materiali con appropriate architettura interna e proprietà superficiali, proprietà meccaniche simili a quelle del tessuto ospite, tra cui modulo elastico, resistenza a compressione ed a fatica, biocompatibilità con tasso di degradazione prevedibile e sterilizzabilità. I tessuti in natura, inclusi i tessuti umani, mostrano gradienti all’interno del loro volume spaziale, ed ogni strato ha specifiche funzioni affinché il tessuto/organo possa crescere normalmente. Questi gradienti sono detti gradienti funzionali e vengono osservati e descritti da tre punti di vista: biologico, meccanico e anatomico. La combinazione dei precedenti tre punti fornirà il corretto ambiente richiesto per la crescita e la proliferazione cellulare allo scopo di rigenerare organi e tessuti. Un buono scaffold ingegnerizzato riproduce tali gradienti, che soddisfano i requisiti biologici e meccanici del tessuto target. A tal proposito si parla di Functionally Graded Scaffold (FGS), il cui processo di progettazione e fabbricazione diviene molto complesso e l’introduzione di sistemi computerizzati aiuta a superare tali difficoltà. Il capitolo 1 del presente lavoro di tesi descrive i gradienti funzionali (biologici, meccanici ed anatomici) presenti nelle strutture naturali e l’importanza di riprodurli all’interno degli scaffold per l’Ingegneria Tissutale. In tale capitolo viene presentato anche lo stato dell’arte sui materiali (naturali e sintetici) ed i metodi (tradizionali ed avanzati) utilizzati per realizzare FGS, mettendone in evidenza sia i punti di forza che le problematiche da superare. Dopo il primo capitolo introduttivo, la trattazione si incentra esclusivamente sullo scopo del presente lavoro di tesi, ovvero studiare un sistema automatizzato per creare scaffold osteocondrali funzionalmente graduati (FGS osteocondrali). Naturalmente è impensabile giungere al prodotto finito commercializzabile, piuttosto verranno indagati in primis i materiali da utilizzare e verrà proposta una metodologia per realizzare i suddetti scaffold. Qualora si debbano rigenerare più tessuti, come osso e cartilagine, sarà necessario più di un tipo cellulare. Questi tipi di cellule diverse hanno ovviamente ambienti diversi in vivo, e quindi avranno requisiti diversi per lo scaffold. Generalmente i gradienti spaziali possono essere classificati come gradienti continui o discreti. Strutture a gradiente continuo mostrano un cambiamento continuo nella loro microstruttura in funzione della posizione spaziale, mentre strutture a gradiente discreto consistono in più strati separati da interfacce. Da un punto di vista meccanico, i gradienti discreti sono caratterizzati da disallineamenti, incompatibilità e concentrazione di sforzi alle interfacce tra gli strati, che, quindi, possono distaccarsi, indebolendo la struttura. Nel capitolo 2 vengono presentati i materiali e la metodologia proposta (proof-of-concept) per la realizzazione di FGS osteocondrali sia a gradiente discreto che continuo, corredata da fotografie delle strutture ottenute. Gli scaffold a gradiente realizzati per lo studio di fattibilità sono composti essenzialmente da gelatina in soluzione acquosa al 5% peso/volume alla quale vengono addizionati idrossiapatite (HA) in forma granulare e genepina (GP) in polvere, utilizzata come agente cross-linkante naturale. Si noti sin d’ora che nella loro accezione più generale i gradienti nei FGS sono sia di materiale che di porosità. I gradienti indagati nello studio di fattibilità di questo lavoro di tesi sono principalmente gradienti di materiale, in quanto non viene utilizzato alcun agente porogeno. La porosità, comunque, è ottenibile come effetto secondario di un gradiente di materiale, ovvero il dilavamento dell’agente porogeno. Le porosità osservate nelle strutture ottenute saranno pertanto non note a priori, in quanto derivanti dal processo di realizzazione degli scaffold e non al dilavamento di un agente porogeno a concentrazione nota. Il gradiente di materiale indagato nei proof-of-concept è il gradiente di idrossiapatite in forma granulare. La metodologia proposta si basa sulla miscelazione tra la soluzione acquosa di gelatina, l’idrossiapatite e la genepina, e su un processo di sedimentazione della fase apatitica granulare. L’elemento principale del sistema automatizzato per la realizzazione di scaffold a gradiente sia discreto che continuo sarà quindi la camera di miscelazione: a seguito dell’agitazione meccanica fornita dalle pale della sua girante, ci aspettiamo che la fase granulare apatitica si disperda uniformemente all’interno della soluzione acquosa di gelatina. Dato che la geometria della suddetta camera influenza significativamente il processo di miscelazione, questa andrà correttamente dimensionata al fine di ottenere il risultato desiderato. Per ridurre i costi ed i tempi necessari allo sviluppo ed al design della camera di miscelazione, si è deciso di ricorrere alla modellistica CFD (Computational Fluid Dynamics). Rispetto all’approccio puramente sperimentale, tramite un modello CFD è possibile capire se la miscelazione sarà ottimale o meno all’interno della camera progettata, senza dover realizzare varie camere di miscelazione con differenti geometrie. Naturalmente ci saranno sempre delle differenze rispetto alla realtà, in quanto per modellare un qualsiasi fenomeno introduciamo inevitabilmente delle semplificazioni (ad esempio, considerare solo gli aspetti “principali” e trascurare gli altri di “secondaria importanza”, per non appesantire il modello), pertanto la modellistica computazionale non potrà mai sostituire del tutto le prove sperimentali durante la progettazione di un nuovo dispositivo, di qualunque genere esso sia. Vista la presenza di più fasi (in particolare la soluzione gelatina+GP e l’idrossiapatite granulare), nel capitolo 3 vengono mostrati gli aspetti teorici dei modelli CFD per i flussi multifase e l’ambiente ANSYS FLUENT, scelto per il presente lavoro di tesi. A seguire, nel capitolo 4, viene descritta l’implementazione dei modelli CFD della camera di miscelazione per lo studio della fluidodinamica allo stato stazionario e del transiente del problema di miscelazione. In primis viene illustrata la geometria di tale camera, per poi mostrare il modello CFD per la risoluzione della fluidodinamica allo stato stazionario del problema monofase Gel-GP. La soluzione fornita da questo primo modello verrà in seguito utilizzata come condizione iniziale per il campo di moto di un secondo modello, multifase nel transitorio, che permetterà lo studio dei tempi per la completa miscelazione tra due composti (Gel-GP/HA, con rapporto HA/Gel pari a 70/30, e Gel-GP). Tale scelta permette di ottenere una migliore convergenza durante il processo risolutivo di quest’ultimo modello. Infine, nel capitolo 5, viene discussa la progettazione di un sistema automatizzato per la realizzazione di scaffold osteocondrali funzionalmente graduati, i cui gradienti (discreti o continui) vengono ottenuti con la procedura proposta nel capitolo 2 del presente lavoro di tesi. In particolare verrà studiato un possibile design della struttura di tale sistema automatizzato descrivendone i vari componenti, mentre non si farà alcun cenno agli aspetti di controllo in quanto la metodologia proposta per la realizzazione di FGS osteocondrali è derivante da uno studio preliminare (proof-of-concept), pertanto potrebbe subire alcune modifiche (ad esempio, nelle tempistiche o nelle temperature in gioco) al fine di essere ottimizzata. In primis verranno analizzati i requisiti del sistema automatizzato in studio (sulla base di quanto mostrato nel capitolo 2), dopodiché verrà discusso il suo funzionamento per realizzare gli FGS osteocondrali a gradiente sia discreto che continuo e proposta una possibile struttura, mostrandone i disegni tecnici e le rappresentazioni tridimensionali (realizzati in SolidWorks 2010) dei componenti e dell’assieme. Seguono conclusioni e sviluppi futuri