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Appunti completi presi a lezione del corso di Sistemi Biomimetici nell'anno 2016/2017
Tondaturo Ciardelli Ciofani Chiono basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del prof. dell’università degli Studi del Politecnico di Torino - Polito. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Sistemi biomimetici docente Prof. G. Ciofani

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ESTRATTO DOCUMENTO

In caso di tessuti con funzionalità mobile i detergenti sono il metodo migliore. Causano una variazione delle

proprietà fisiche della matrice cellulare, la matrice sarà meno degradabile e più rigida a causa della

reticolazione delle proteine. Il metodo dipende dal tipo di tessuto.

AGENTI BIOLOGICI:

Non hanno la stessa problematica degli agenti chimici perché non hanno effetto citotossico diretto sulle

cellule e si hanno dunque meno problemi per la rimozione.

• Enzimi: vengono usati perché in grado di catalizzare i legami ECM-cellule. Si usa la tripsina.

Richiedono uno step di rimozione delle cellule una volta che si sono staccate dal substrato.

• Agenti chelanti: modificano l’iterazione cellula-proteine tramite l’effetto chelante, meno utilizzati.

TECNICHE FISICHE:

• Temperatura: ha l’effetto di causare lisi cellulare senza intaccare troppo la componente proteica.

Congelando le cellule queste tendono ad andare in apoptosi a causa della formazione di cristalli

nell’ambiente acquoso della cellula. Rimuovo le cellule con basso rischio di danneggiamento

dell’ECM. La formazione di cristalli può modificare la microstruttura ma è un effetto secondario.

• Forza e pressione: agendo con forze meccaniche di abrasione sull’ECM posso rimuovere le cellule

ma ho la problematica sul mantenimento della morfologia superficiale. Tecnica poco efficacie per il

mantenimento della morfologia.

• Elettroforazione: si stimola la cellula con impulso elettrico causando la formazione di micro pori

sulla membrana e superato un valore soglia di micro pori la membrana si apre causando la morte

cellulare. Ha lo svantaggio di dover rimuovere i frammenti cellulari.

Tutte le possibilità vengono combinate per ottenere un protocollo di decellularizzazione a seconda del

tessuto interessato. Nella fase iniziale si hanno sempre trattamenti termici, con enzimi o con trattamento

osmotico seguiti da passaggi per la rimozione dei frammenti cellulari. Tessuti sottili hanno un protocollo più

semplice e più breve.

Nella fase di decellularizzazione il tessuto può essere decellularizzato in 3 modi:

1) Perfusione: vengono fatte profondere nel tessuto le soluzioni per rimuovere le componenti

cellulari.

2) Gradienti pressori: si immerge il tessuto in una soluzione con gradienti di pressione che permette

l’ingresso della soluzione nel tessuto.

3) Agitazione e immersione

La perfusione permette di mantenere meglio la microstruttura interna, è il più ottimale ma anche il più

costoso. Con l’immersione ho una microstruttura più danneggiata rispetto alla perfusione.

Valutazione della decellularizzazione: non si elimina al 100% la componente cellulare. Se ho un

quantitativo di DNA molto basso nel tessuto questo non è in grado di generare una infiammazione

eccessiva, ho un valore soglia di frammenti di DNA a doppia e singola elica. Devo controllare che

effettivamente non ci siano più nuclei interi. Posso avere frammenti di cellule e non cellule intere. Si

analizza il tessuto con immagini a fluorescenza con dapi e H&E.

Successivamente analizzo la morfologia del tessuto con analisi istologiche e verifico l’efficacia del protocollo

di decellularizzazione.

Quando si fa analisi sperimentale ci si basa su un certo numero di campioni. Senza asterisco nei grafici i

valori sono da considerare uguali, con l’asterisco hanno una percentuale statisticamente rilevante per cui i

risultati sono diversi. 44 Sistemi 17.03.17 Tondaturo

MATRICI DECELLULARIZZATE:

L’obiettivo è rimuovere la componente cellulare mantenendo intatta l’architettura e composizione della

matrice extracellulare.

Decellularizzazione dei polmoni:

Il comparto all’interno del quale passa l’aria è una struttura estremamente complessa e ramificata e

riprodurla a livello ingegneristico è complesso. Attraverso una microscopia a fluorescenza è possibile

caratterizzare lo stato di decellularizzazione. Viene fatta una analisi della componente decellularizza e si

vuole ottenere una elevata somiglianza delle quantità di elastina, collagene e glicosamminoglicani. La

misurazione del DNA rivela quanto il protocollo è stato efficiente, si vuole una rimozione completa della

quantità di DNA presene nella matrice decellularizza. Nella immagine D viene riportata una analisi che

permette di quantificare se sono presenti alcune proteine delle cellule, la barra nera indica un elevato

quantitativo.

Decellularizzazione dei reni:

Il tessuto decellularizzato mantiene la sua struttura complessa senza che la struttura collassi. Nella foto D

ed E si vede il passaggio da tessuto nativo e tessuto decellularizzato per cui spariscono i nuclei e si mantiene

la componente proteica in rosa.

Decellularizzazione del fegato:

Vengono quantificate con la fluorescenza alcune proteine della matrice extracellulare: collagene,

fibronectina e laminina; ciò dimostra il mantenimento della matrice extracellulare. La ricellularizzazione

viene effettuata in vitro e dopo viene verificata l’efficacia della ricellularizzazione, l’obiettivo è avere un

tessuto completamente ricellularizzato.

L’obiettivo della decellularizzazione è quello di partire dal tessuto di un donatore (nel normale trapianto

questo viene impiantato direttamente richiedendo terapie antirigetto per un periodo molto lungo) e

rimuovere la componente cellulare del donatore che causa il rigetto mantenendo la struttura. Il tessuto

può essere impiantato direttamente oppure ricellularizzato in vitro e impiantato all’interno del paziente. È

necessaria una sorta di recruiment cellulare in vivo perché le cellule in vivo penetrino all’interno del tessuto

nel paziente, per questo motivo sono molto importanti i fattori solubili. Le matrici decellularizzate non

contengono più al loro interno la componente solubile che richiama le cellule e permettono la

colonizzazione dello scaffold, questo è lo svantaggio di un impianto in vivo senza una preventiva

cellularizzazione. Perdendo le cellule perdiamo anche i fattori solubili, stimoli biochimici che sono in grado

di richiamare le cellule. Se lo scaffold utilizzato non contiene stimoli che evitino la risposta infiammatoria si

hanno svantaggi nella procedura di impianto. Per arrivare a una buona rigenerazione del tessuto possiamo

ricellularizzare in vitro oppure possiamo inserire nella matrice decellularizzata degli stimoli prima

dell’impianto.

Decellularizzazione dei vasi sanguigni:

Possiamo ingegnerizzare un tessuto partendo da cellule, creare il tessuto in vitro, quindi fabbricarsi

direttamente il tessuto del donatore, decellularizzarlo e ricellularizzarlo. Nella prima fase utilizzo cellule

allogeniche e nella fase di ricellularizzazione utilizzo le cellule del paziente. Il vantaggio è che posso

ricellularizzare il tessuto durante la fase di produzione del vaso sanguigno, preparo i vasi senza doverle

andare a cercare in un donatore. Parto da una matrice decellularizzata molto controllata ed evito l’utilizzo

di donatori che spesso sono di altra specie. In vitro fabbrico il tessuto che poi utilizzo come matrice

decellularizzata. Non si usano direttamente le cellule del paziente a causa dei lunghi tempi di produzione.

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Utilizzo idrogeli biomimetici:

Questo approccio permette di valutare le caratteristiche fisiche all’interno degli scaffold.

Uno scaffold biomimetico deve avere una determinata morfologia, fattori solubili, composizione e

caratteristiche fisiche.

Composizione:

I materiali di origine naturale sono più efficaci per la composizione, ma si possono anche usare materiali di

origine sintetica che hanno una elevata facilità di processing. La composizione deve favore l’adesione

cellulare grazie a dei linker come proteine biomimetiche.

Caratteristiche fisiche: possibilità di degradarsi in ambiente fisiologico. Le caratteristiche fisiche

influenzano il comportamento cellulare.

Idrogeli biomimetici:

Gli idrogeli sono materiali in grado di incapsulare un elevato quantitativo di acqua, materiali idrofilici.

L’ambiente fisiologico è ambiente acquoso e gli idrogeli sono biomimetici dal punto di vista strutturale.

Idrogeli Convenzionali: relativi a idrogeli che rigonfiano messi a contatto con soluzioni acquose

aumentando il loro volume.

Idrogeli che non aumentano di volume: contengono porosità che vengono riempite di acqua nella fase di

assorbimento per cui all’assorbimento di acqua non corrisponde un aumento di volume.

Tipo di legame che lega le varie catene polimeriche: Ci sono legami covalenti o iterazioni fisiche che

permettono all’idrogelo di mantenere la loro forma.

Si passa da un materiale all’idrogelo lavorando con le interazioni di tipo fisico o crosslinking. Questi

materiali sono stati studiati come substrati per la rigenerazione di vari tessuti.

Caratteristiche che gli idrogeli ci permettono di variare rispetto ad altre tipologie di materiali: siti di

adesione, molecole segnale (fattori solubili facilmente inseribili negli idrogeli facendogli assorbile soluzioni

acquose contenenti le sostante), siti degradabili enzimaticamente, proprietà meccaniche La matrice

extracellulare è dinamica, varia nel tempo a seconda della iterazione con le cellule anche a seconda della

sua velocità di degradazione. La possibilità di inserire nel materiale siti degradabili enzimaticamente è un

vantaggio perché permette di mimare meglio le caratteristiche fisiche della matrice extracellulare.

Proprietà meccaniche della matrice extracellulare:

Diversi tessuti hanno matrici extracellulari con diverse proprietà meccaniche. Le proprietà meccaniche

influenzano l’ECM. Gli idrogeli sono materiali ideali per valutare le iterazioni tra proprietà meccaniche e

cellule perché sono altamente idratati e possono mimare i tessuti fisiologici. La presenza di acqua tende a

ridurre le proprietà meccaniche del tessuto.

Moduliamo le proprietà meccaniche del substrato variando la reticolazione dell’idrogelo. Anche la sola

composizione dello scaffold influenza la meccano-trasduzione con le cellule. Possiamo modulare le

proprietà meccaniche partendo da substrati che hanno la stessa composizione perché variando

composizione e proprietà meccaniche potremmo ottenere risultati differenti. Non si possono confrontare

proprietà meccaniche di substrati con composizione differente perché questa influenza la risposta cellulare

perché nella fase di legame cellula-substrato posso influenzare la risposta meccanica del legame cellulare.

Substrati con stesse proprietà meccaniche ma diversa composizione possono portare a risultati diversi.

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I moduli elastici vanno da 1KPa a 100 KPa, valori molto bassi. Per moduli così bassi si usano idrogeli che

danno moduli più soft. Sono state prese cellule staminali mesenchimali e sono state analizzate le risposte

cellulare su diversi substrati con diversi moduli elastici. È stato utilizzato un polimero idrofilico sintetico con

diverse percentuali nella composizione dell’idrogelo o diverso grado di reticolazione che permettono di

variare le proprietà meccaniche. Si è funzionalizzata la superficie dell’idrogelo perché usando un materiale

di origine sintetica questo non ha siti di adesione, si è funzionalizzato con l’utilizzo di collagene. La

morfologia della cellula mesenchimale è differente a seconda del substrato. La cellula a seconda del

substrato su cui è coltivata tende ad assumere una morfologia simile a cellule appartenente a diversi

tessuti. Si osserva che le cellule coltivate su substrati con moduli elastici bassi hanno una maggiore

espressione dei geni caratteristici dei geni neuronali. Le cellule coltivate su substrati con modulo elastico

intermedio hanno geni muscolari e quelle coltivate su substrati attorno ai 34KPa hanno geni caratteristici

del tessuto osseo.

Proprietà fisiche, degradazione:

È possibile fabbricare differenti materiali che siano in grado di degradarsi enzimaticamente oppure no. Le

cellule su materiale non degradabile enzimaticamente rimangono ferme. La cinetica di degradazione fa sì

che ci sia una maggiore mobilità cellulare. La migrazione cellulare è guidata dalla possibilità di avere un

materiale in grado di essere degradato in ambiente fisiologico in modo rapido.

L’idrogelo viene utilizzato anche per l’incapsulamento cellulare essendo un materiale altamente idratato

che permette di riprodurre l’ambiente fisiologico.

Cell loading: si crea una struttura con le cellule inglobata in un materiale. Si crea una zona confinata dalla

presenza dell’idrogelo con le cellule.

La possibilità che la cellula sia in grado di muoversi è che trovi un substrato che permetta alle cellule di

riorganizzare il proprio citoscheletro sono fondamentali. Gli idrogeli vengono usati come carrier per

fabbricare scaffold cellularizzati. Sistemi Biomimetici Tondaturo 31.03.17

La selezione del materiale influenza la composizione dello scaffold. La presenza o meno di siti degradabili

ha influenze sulla risposta cellulare perché la matrice cellulare è in grado di essere degradata e rimodellata

dalle cellule. In presenza di capacità di degradazione abbiamo una migliore migrazione cellulare.

Sullo scaffold possiamo coltivare le cellule oppure impiantare lo scaffold non cellularizzato ma in grado di

richiamare le cellule.

Si sta applicando molto la realizzazione di scaffold già cellularizzati. I materiali oltre a essere struttura di

supporto possono essere usati come carrier si cellule. Possiamo dare una geometria allo scaffold che già

presenta le cellule, evitando di dare prima la forma e poi cellularizzare. Nella fase di costruzione printiamo

le cellule assieme al materiale dello scaffold.

ARTICOLO: Defines three-dimensional microenvironments boost induction of pluripotency

Le cellule pluripotenti indotte sono cellule staminali che non nascono come tali. Quando sono nello stato

staminale possono differenziare in un’ampia tipologia di tessuti. Sono cellule già differenziate che vengono

fatte ritornare staminali. (ripassa diversi tipi di cellule staminali). Le cellule embrionali sono estratte

dall’embrione con problemi etici e quelle adulte sono in bassa quantità. Sono state introdotte le

pluripotenti indotte fabbricate a partire da una cellula adulta differenziata (fibroblasti) che con una

modifica genica vengono fatte tornare allo stato staminale. Posso partire da una cellula adulta, farla

tornare staminale, e una volta pluripotente ridifferenziarla nel fenotipo desiderato. Non abbiamo problemi

etici, sono autologhe e abbiamo una grande quantità a disposizione. Per ottenerle si deve fare una modifica

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genica, andando in contro a rischi difficilmente ponderabili, possono dare problemi anche a lungo termine.

Per questo motivo anche se hanno elevata potenzialità in clinica non sono ancora utilizzati ma sono usati

solo in studi a livello di ricerca. Si è provato nello studio a indurre la pluripotenza non con modifica genica

ma andando ad ottimizzare dei substrati perché inducessero la staminalista cellulare. Prevede di partire da

un substrato e ottimizzarlo affinché solo la coltura di cellule differenziate faccia sì che la cellula torni allo

stato di staminale, abbiamo stimoli fisici, chimici, meccanici e di tipo composizionale. Questo dà un nuovo

ruolo agli scaffold che oltre ad esser guide per rigenerare un tessuto diventano capaci anche di modificare il

comportamento cellulare passando da cellula differenziata a cellula pluripotente indotta. Sono stati

realizzati degli idrogeli a base di PEG, questi idrogeli sono stati ottenuti tramite reticolazione enzimatica

(formazione di un legame tra i due blocchi componenti l’idrogelo, con la formazione del legame ho un

idrogelo crosslinkato) e hanno di caratteristico che presentano una sequenza peptidica (composizione

simile alla ECM), siti di degradazione per via enzimatica, reticolazione in funzione delle proprietà

meccaniche. Agendo sul protocollo di reticolazione si ottengono diversi gradi di reticolazione e quindi

diverse proprietà meccaniche. Possono avere una degradazione enzimatica oppure no, posso avere

differenti proprietà meccaniche, e ho la presenza di una sequenza peptidica tipica della fibronectina che

quindi mima la ECM. Sono state usate cellule staminali embrionali e sono state valutate differenti proprietà

meccaniche. È stata analizzata la differenza tra materiali con stesso modulo elastico ma diversa sensibilità

alla degradazione per via enzimatica. Ho enzimi per la formazione dei legami e enzimi per la degradazione,

due usi differenti degli enzimi. Sui substrati con minore modulo elastico le cellule proliferano di più ma

sono meno staminali. Dal punto di vista della riprogrammazione cellulare sono state usate cellule

differenziate per essere riprogrammate alla staminalista iniziale, i fibroblasti sono stati estratti da un topo,

incapsulati nell’idrogelo e sono state fatte analisi con l’obiettivo di ottimizzare i parametri dell’idrogelo

affinché le cellule si riprogrammino per essere cellule staminali. Utilizzando una struttura bidimensionale o

tridimensionale abbiamo effetti diversi. Con la struttura tridimensionale il reprogramming è più efficacie.

Dal punto di vista morfologico opta4 è fluorescente, quando la cellula esprime questo gene diventa

fluorescente. Le cellule quando sono pluripotenti tendono a proliferare in aggregati mentre quando sono

fibroblasti proliferano con grade sprending. Condizione ottimale 300Pa e sensibilità alla metalloproteasi e

rgd, sensibile alla degradazione enzimale (non fondamentale da ricordare). Il beneficio dello studio è avere

la cellula che si autoriprogramma da sola senza modifiche geniche fatte dall’esterno.

Fabbricazione di scaffold ossei:

Si prevede di utilizzare il legno come template per la fabbricazione di un osso. Il legno per la struttura,

elevata disponibilità del materiale, capacità di sopportare carichi elevati. I dispositivi sostitutivi ossei per le

ossa lunghe che devono sopportare carichi è difficile ottenere materiali in grado di sopportare questi

carichi, di solito vengono usati materiali metallici. L’osso è un materiale composito con fase organica

proteica (collagene) e fase inorganica di idrossipatite (fosfato di calcio). La struttura dell’osso è costituita da

osso spongioso costituito da trabecole orientare per sostenere i carichi e osso corticale. La struttura è

gerarchica caratterizzata dalla presenza dell’osteone come unità ripetitiva nell’osso corticale, mentre

nell’osso spongioso abbiamo la trabecola come unità ripetitiva. Nell’osso ci sono anche le cellule di 3 tipi:

osteociti, osteoblasti, osteoclasti (slides). L’osso su scala nanometrica è costituito da fibre di collagene

immersi in una matrice di nanoidrossipatite (fase inorganica). Le fibrille di collagene mineralizzate

costituiscono strutture orientate, trabecole nello spongioso e osteoni nel corticale. La struttura viene

ottimizzata dall’organismo per sopperire a necessità fisiologiche.

La struttura del legno è molto simile a quella dell’osso. Anche il legno è una struttura composita,

componente di fibrille di cellulosa e una matrice di linina. Su scala micrometrica il legno forma strutture

gerarchiche. Fibrille + lignigna formano delle strutture ottimizzate su scala millimetrica per permettere

all’albero il supporto del peso della chioma. 48

La prima idea è stata quella di usare il legno come template per la ricostruzione ossea. Si sono studiate

diverse piante. Il legno ha una struttura analoga a quella dell’osso. Il legno va elaborato mantenendo la

struttura. Ci interessa solo mantenere la struttura ma non le cellule e la composizione. Si vuole trasformare

la lignina in qualcosa di più simile all’osso. Sono state ottenute strutture di allumina e ossido di titanio che

sono materiali ceramici bioinerti, biocompatibili ma essendo bioinerti la probabilità che il materiale

interagisca con le cellule è molto bassa. Quindi il risultato finale non è utile. Una possibilità per migliorare

l’adesione cellulare è stata quella di rivestite i substrati con materiali bioattivi. Ottengo una buona

colonizzazione cellulare ma il materiale di balk rimane bioinerte quindi non viene degradato e non viene

rimodellato. È meglio partire dal legno e ottenere una struttura che abbia la stessa morfologia del legno

selezionato ma la cui composizione sia un materiale bioattivo, costituito di idrossipatite. Si parte dal legno e

si ottiene una struttura con stessa morfologia ma la cui composizione sia idrossipatite. Questo è la base del

lavoro finale.

Il protocollo prevede di partire da un legno di pino simile all’osso trabecolare e legno di Rattan simile

all’osso compatto. Il primo step prevede la Pirolisi, elimino la fase inorganica e ottengo una struttura solo

carboniosa che mantiene la stessa morfologia. A questo punto ho un template di solo carbonio e con step

successivo si passa da carbonio a idrossipatite. Lo step successivo è la Carborazione, per passare da solo

carbonio a carburo di calcio, nel processo entrano in gioco temperature e pressioni per mantenere una

struttura identica a quella del legno. La quantità di calcio che introduco deve essere ottimizzata in modo da

ottenere trabecole più o meno grandi. A questo punto con l’Ossidazione si elimina il carbonio e si ottiene

una struttura di solo calcio. Il processo va ottimizzato per ottenere la stessa struttura ovunque. La

carbonazione permette di ottenere il carbonato di calcio. Ottengo un materiale omogeneo. A questo punto

ho il carbonato di calcio e per ottenere un fosfato di calcio si passa alla Fosfatazione che permette di

passare da carbonato di calcio a idrossipatite. L’idrossipatite è un fosfato di calcio particolare.

L’idrossipatite ha struttura detta a cavolfiore mentre altri fosfati di calcio hanno strutture differenti. La

morfologia influenza la solubilità del materiale. Si ottiene infine un materiale di idrossipatite con morfologia

molto simile a quella dell’osso. L’osso compatto e il Rattan hanno strutture molto simili. Ottengo uno

scaffold a base di idrossipatite con morfologia simile quella del tessuto osseo. Ottenere una struttura simile

a partire da una polvere di idrossipatite è estremamente difficile perché dovrei ottenere una struttura con

diverse porosità al suo interno con scale molto limitate, ottenere strutture grandi con alta percentuale di

porosità è complicato.

Su questi scaffold sono stati fatti test cellulari e si è visto che le cellule aderiscono in modo ottimale sul

substrato e sono stati effettuati test in vivo su coniglio usando il Rattan come materiale di partenza.

Conclusioni: Prima si usavano solo tessuti autologhi, metallici, ceramici. Il materiale ottenuto dal legno è

poco costoso, con ottime proprietà meccaniche.

Altro studio:

Utilizzo delle foglie di spinaci. A partire da una foglia di spinacio è stata creata una struttura che ricalca il

tessuto cardiaco. La foglia ha una struttura di microcircolazione interna complessa. La foglia ha dei canali

che strutta per il mantenimento delle cellule dalla foglia e che possono essere sfruttate per ricreare vasi

sanguigni. Presa la foglia è stata decellularizzata tramite perfusione con detergenti, rimane principalmente

cellulosa. La cellulosa è un materiale biocompatibile usato già per la fabbricazione di alcuni scaffold.

Eliminate le cellule vegetali è stato ottenuto un template di cellulosa col vantaggio di avere una buona

struttura vascolare che si mantiene. I canali vengono sfruttati per ottenere una struttura vascolare. Sono

state fatte coculture con cellule HUVEC (endoteliali), cardiache e cellule mesenchimali col ruolo di rilasciare

fattori trofici e mantenere le cellule in uno stato attivo all’interno dello scaffold.

49 Sistemi Biomimetici Tondaturo 05.04.17

SUPERFICI SUPERIDROFOBICHE:

In natura esistono molti esempi di superfici superidrofobiche come la foglia di loto su cui le gocce di acqua

hanno una forma estremamente tondeggiante a causa della superficie che non permette all’acqua di

aderire.

La bagnabilità superficiale regola l’interazione tra una superficie e una superficie acquosa. La misura della

bagnabilità viene fatta attraverso la misura dell’angolo di contatto, l’angolo che si forma tra la tangente di

una goccia di acqua posizionata su una superficie e la superficie stessa. L’iterazione tra la superficie e la

goccia d’acqua è responsabile della geometra della goccia d’acqua, le caratteristiche della superficie e del

mezzo acquoso determina la forma della goccia. Esistono differenti superficie classificate a seconda del loro

angolo di contatto: idrofiliche minore 90°, idrofobiche maggiore 90°, superidrofobiche maggiore 150°. È una

misura effettuata per caratterizzare sia i materiali sia le superfici. Per l’analisi dei materiali si posiziona la

goccia e si misura l’angolo che si forma. Il materiale più idrofobiche è un materiale di clorurati che ha un

angolo che non supera i 150°, dal punto di vista dei materiali non esistono materiali superidrofobici. Per

passare da un materiale idrofobico a una superficie superidrofobica si deve elaborare la struttura della

superficie. Si parte da un materiale idrofobico e si struttura la morfologia superficiale in modo da

aumentare l’angolo di contatto. La superidrofobicità è una caratteristica del materiale ma soprattutto della

morfologia superficiale.

L’interazione dell’acqua con la rugosità superficiale segue due modelli:

1)Modello di Wenzel:

L’acqua penetra all’interno della rugosità. La forza per permettere il rotolamento della goccia d’acqua sulla

superficie dovrà essere elevata perché la goccia penetra nelle rugosità e abbiamo maggiore iterazione.

Esistono dei petali delle rose che sono in grado di non fare staccare la goccia anche se ribaltati.

2)Modello di Cassie:

L’acqua non penetra nelle rugosità e l’aria rimane intrappolata nelle rugosità non permettendo un

completo contatto dell’acqua con la rugosità stessa.

In natura le superfici superidrofobiche hanno una organizzazione di rugosità gerarchica nella scala del micro

e nano.

Un’altra proprietà delle superficie superidrofobiche è relativa alla capacità di fare rotolare su di esse le

gocce d’acqua. Il parametro che influenza questa capacità di rotolamento è l’inclinazione della superficie.

Quando una goccia viene depositata su una superficie piana gli angolo di contatto a destra e sinistra sono

gli stessi. Quando incliniamo il piano abbiamo un cambiamento della morfologia della goccia e gli angoli di

contatto non sono uguali tra loro., abbiam un angolo di avanzamento e uno di recessione. La forza

necessaria a staccare la goccia e farla rotolare sulla superficie è relativa all’angolo di isteresi, angolo di

differenza tra angolo di avanzamento e di recessione. I valori degli angoli dipendono dalla superficie. La

forza di adesione della goccia sulla superficie è relativa alla forma che assume la goccia sulla superficie. La

forza di adesione è espressa in funzione della morfologia mentre la forza per staccare la goccia e farla

rotolare è funziona dell’angolo di inclinazione del piano. Se la goccia rotola per piccole inclinazioni la forza

di adesione della goccia sulla superficie sarà piccola.

Superfici autopulenti:

Seguono il modello di Cassie. Grazie allo strato di aria tra la goccia d’acqua e la superficie abbiamo una

bassa iterazione che dà come risultato la capacità delle gocce di rotolare sulla superficie per piccoli angoli di

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inclinazione, superfici autopulenti; angolo di rotolamento <10°. Alcuni insetti sono dotati di questa

caratteristica perché per volare necessitano di peso ridotto che sarebbe influenzato anche solo dal deposito

di polveri. Un altro esempio è la foglia di loto che presenta una micro e nano rugosità costituito da

nanocristalli di cera, materiale idrofobico.

Esistono altre piante, come il melone cinese e la foglia di vite, con superficie superidrofobiche ma con

strutture unitarie caratterizzate da fibre della dimensione dei micron.

Anche negli insetti ritroviamo una certa organizzazione gerarchica a livello della nanoscala responsabile

della superidrofobicità delle superfici.

Alcuni insetti riescono a comminare sull’acqua grazie alla superidrofobicità delle superficie delle loro

zampe. In questo caso la superidrofobicità è sovradimensionata perché permette all’insetto di no

sprofondare nell’acqua avendo un peso fino a 15 volte superiore, si pensa sia dovuto per compensare il

peso maggiore in caso di pioggia.

Le superfici superidrofobiche sono state usate per realizzare tessuti antimacchia, vernici e vetri autopulenti.

Fabbricazione superfici superidrofobiche:

Esempio: Si sono ottenute superfici superidrofobiche utilizzando la foglia di loto come stampo ottenendo

un’ottima riproduzione della morfologia superficiale.

Esempio: Utilizzo della tecnica dell’elettrospinning che permette di realizzare fibre superidrofobiche. Si è

partiti dall’acetato di cellulosa per realizzare le fibre, materiale idrofilico. Ottenuta la superficie

nanostrutturata si è passati al rivestimento della superficie con i layer-by-layer con nanoparticelle di

idrossido di titanio e acido acrilico. Ottenuto un certo numero di strato la superficie è stata immersa in

un'altra soluzione idrofobica.

Applicazioni biomediche:

In ambiente ospedaliero è probabile si presenti una infezione soprattutto in caso di superfici che restano a

lungo a contatto col paziente o viene impiantato, ad esempio i cateteri. Si vuole una superficie che

impedisca ai batteri di aderire, evitando l’utilizzo di antibiotici che hanno effetto solo al momento in cui

l’infezione è già avvenuta. I batteri hanno una prima fase di adesione, seguito a dalla proliferazione fino alla

formazione di una colonia batterica con un biofilm protettivo da cui i batteri proliferano in modo ambio e

rilasciano altri batteri che possono colonizzare altre zone limitrofe. Posiamo evitare direttamente

l’adesione batterica usando materiali battericidi come l’argento. Un'altra soluzione è quella di utilizzare

delle superfici superidrofobiche su cui i batteri non sono in grado di aderire perché vivono in ambiente

acquoso. Un esempio è relativo alla formazione di un materiale caratterizzato dalla presenza dell’argento

(intrinsecamene antibatterico) e di una struttura superidrofobica. Si sono analizzati i rapporti molari

migliori tra i due materiali per ottenere superfici superidrofobiche. Questa superficie finale ha una

superficie con una morfologia tale da essere superidrofobica e contiene all’interno argento. Trattando la

superficie superidrofobica con radiazioni UV si è visto che si ha un cambiamento della morfologia e una

conseguente perdita della superidrofobicità. I test antibatterici vengono fatti utilizzando batteri.

Superfici superidrofobiche e adesione cellulare:

Le superfici superidrofobiche possono essere usate anche per evitare l’adesione cellulare. Vengono

utilizzate sulle superfici impiantate che dovranno essere rimosse per cui non vogliamo la formazione di una

cicatrice fibrotica nell’intorno del dispositivo. Nel caso degli stent vogliamo evitare l’adesione di cellule solo

muscolari quindi in questo caso non è corretto utilizzare una superficie superidrofobica. Si è partiti da una

soluzione di PLLA e acido polilattico e il solvente è stato rimosso con due tecniche differenti ottenendo

morfologie differenti. Nel tempo, poiché l’acido polilattico è degradabile, notiamo che se la superficie viene

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immersa in una soluzione fisiologica l’angolo di contatto si riduce nel tempo, la superficie perde la

superidrofobicità nel tempo. Sistemi Biomimetici Tondaturo 12.04.17

Continuazione superfici superidrofobiche:

Le superfici anti adesione cellulare possono essere usati in quei dispositivi che poi devono essere rimossi

per cui non vogliamo una colonizzazione cellulare su di essi. Sfruttando una particolare morfologia

superficiale l’acido polilattico assume morfologia rugosa su scala micro e nano fobica ottenendo una

superficie superidrofobica.

Micro Array:

Un esempio applicativo è la fabbricazione di micro array, sistemi che prevedono di utilizzare strutture

molto piccole per coltivare le cellule. Si vuole evitare che le cellule che colonizzano una zona A possano

sfociare in una zona B, possiamo incamerare le cellule in una zona molto piccola usando non solo una

barriera di tipo fisico che sarebbe insufficiente ma usando anche superfici super idrofobiche che funzionano

come barriere perché in queste zone le cellule non aderiscono e dunque non possono migrare.

Una superficie può diventare superidrofobica a seguito di irraggiamento UV. Le cellule aderiranno solo nelle

zone non superidrofobiche e in questo modo riesco a localizzare le cellule solo in un’area specifica ed

evitare che queste migrino da una zona all’altra del dispositivo.

Bioassay:

La superidrofobicità ci permette di ottenere delle gocce di liquido molto tondeggianti, quindi molto visibili

perché hanno una altezza molto elevata. Migliore è l’altezza della goccia maggiore è la capacità di osservare

quello che accade dentro la goccia. Questo approccio è usato in alcuni esempi di analisi di fluidi biologici

come il sangue: è importante conoscere il gruppo sanguigno di un paziente. Possiamo analizzare il gruppo

sanguigno solo sfruttando una unica goccia di sangue. Esistono 4 gruppi sanguigni: A, B, AB e 0. Differiscono

tra loro dagli antigeni che hanno i singoli globulo rossi, antigene A, B o nessuno. Un gruppo A contiene gli

antigeni A ma anche gli anticorpi B, la somministrazione di gruppo B causa la condensazione dei globuli

rossi che causa infiammazione fino alla morte del paziente. Se il gruppo è A e addiziono un antigene B non

succede nulla; mentre se addiziono a B l’antigene B ho una sedimentazione dei globuli rossi nella parte

inferiore della goccia, ho una separazione netta di sangue, avviene la emogglutinazione. L’osservazione di

questo fenomeno permette di riconoscere il gruppo sanguigno del paziente utilizzando una sola goccia di

sangue e per fare questo abbiamo bisogno di una superficie superidrofobica. Ho emogglutinazione quando

aggiungo nel sangue un antigene del gruppo di quel sangue. Nel caso del gruppo 0 sul globulo rosso non ci

sono antigeni ma ci sono entrambi gli anticorpi. Questa tecnica consente di ridurre i tempi, i costi e la

quantità di fluido biologico utilizzata.

Concentrazione molecole dissolte in soluzione:

Le superfici superidrofobiche possono essere usate per concentrare proteine e sostante a basso peso

molecolare solubilizzare in mezzo acquoso. Abbiamo un’area di contatto molto limitata tra goccia e

superficie e evaporando l’acqua l’area continua a diminuire sempre di più ed è possibile contrare nell’area

molto limitata molecole a basso peso molecolare diluiti in acqua.

Farmaco a rilascio controllato:

Sfruttare superficie superidrofobiche per controllare la cinetica di rilascio di un farmaco. Si può realizzare

una superficie superidrofobica con una certa altezza h e all’interno della superficie costituito da fibre

possiamo caricare il farmaco (es elettrospinning). Il vantaggio è che se la superficie è nella sua altezza

52

capace di perdere nel tempo la sua idrofobicità posso controllare la cinetica di rilascio. Inizialmente

idealmente non avrò rilascio perché la fibra non è a contatto con la soluzione acquosa, nel tempo se la

degradazione avviene entrando nell’altezza h avrò un inizio di rilascio nella zona che è a contato con la

soluzione acquosa. Perdendo la superidrofobicità l’acqua entra nello spessore e il farmaco viene rilasciato.

Modelli biomimetici in vitro o microsistemi invivolike:

questi sistemi sono strutture ingegnerizzate al fine di mimare l’ambiente fisiologico per poter analizzare

cosa avviene nell’organismo umano senza usare direttamente l’organismo umano. Usare modelli è utile per

testare l’efficacia di un farmaco e per studiare determinate patologie. Sono in fase di sviluppo degli

approcci che cercano di traslare su un dispositivo o struttura tridimensionale quello che avviene in un

individuo cercando di renderlo il più simile possibile all’individuo con gradi di complessità estremamente

elevati. Normalmente si prendono le cellule umane e si osservare cosa avviene nella piastra di coltura e in

seguito test su animale. Usando una coltura bidimensionale monocellulare si fanno delle approssimazioni

molto grandi rispetto all’ambiente fisiologico dove abbiamo una coltura eterogenea e tridimensionale e

complessa. La possibilità di realizzare dei modelli tridimensionali di organi è molto studiata e utile per la

ricerca, anche per evitare problemi dal punto di vista etico (l’opinione pubblica è contro i test su animali.)

Attualmente nello screening dei farmaci abbiamo una alta percentuale di insuccessi tra quello che succede

in vitro e nell’uomo a causa della troppa approssimazione del modello.

Si percorrono due strade:

Approccio dell’ingegneria dei tessuti:

Prevede di ricreare in vitro un sistema complesso tridimensionale che mimi il tessuto fisiologici. Partiamo

dalla realizzazione di organoidi che sono aggregati cellulari che cercano di mimare la genesi degli organi a

livello embrionale e formano dei microtessuti che sono dei piccoli embrioni di un determinato tessuto;

ammassi cellulari di cellule progenitrici che iniziano ad avere un fenotipo verso un certo tessuto. Sono una

grossa approssimazioni perché ho comunque un sistema monocellulare isolato, immerso in un mezzo di

coltura senza tenere contro ad esempio dell’intorno del tessuto

Altro approccio, fabbricazione di tessuti ex vivo:

Sfruttare l’approccio di scaffold cellularizzato usato come modello e non per l’impianto. Somministro i

farmaci e osservo la risposta cellulare.

Per lo sviluppo di questi modelli ci sono limitazioni:

• Tipologia cellulare limitata: dobbiamo selezionare il tipo di cellula più adeguata.

• Vascolarizzazione: se il tessuto non è vascolarizzato abbiamo il problema su come mantenere le

cellule vitali nello spessore.

Sistemi microfluidici:

Una tecnologia molto usata per la realizzazione di modelli di organi è relativa alla tecnologia di microfluidica

e microfabbricazione, possiamo ricreare la struttura complessa su un cip andando a sfruttare la morfologia

del cip facendolo diventare un sistema di vascolarizzazione del tessuto. Non dovendo impiantar il

dispositivo posso mantenere il materiale del cip. Unisco a tutto ciò i vantaggi relativi allo sviluppo di questi

piccoli sistemai: dimensioni ridotte: richiede poco materiale e poche cellule per costruirli; semplici da

realizzare, possono essere realizzate con tecniche di litografia che hanno alta risoluzione e permettono di

realizzare geometrie complesse. Invece di realizzare tutto il tessuto come nella tessue engineering realizzo

solo dei piccoli cip che mimino alcune funzioni del tessuto ed eventualmente sfruttarle per una specifica

applicazione. Questi sistemi vengono sfruttati molto per lo screeming di farmaci e mimare le barriere

fisiologiche. Si ottiene un dispositivo piccolo (cip di qualche centimetro) all’interno del quale si possa

53

mimare cosa avviene quando i farmaci sono a contatto con diversi tessuti; questo perché quando

assumiamo un farmaco questo entra nel circolo sanguigno ed entra a contatto su tutti i tessuti. Il vantaggio

di questo sistema è di evitare di usare animali sia per motivi etici sia perché le reazioni di un organo animali

sono differenti dagli organi umani. Oltre all’effetto terapeutico i farmaci hanno anche effetti sistemici non

trascurabili.

Esempio di fegato:

Il ruolo del fegato nella tossicità dei farmaci è fondamentale perché tutti i farmaci arrivano al fegato e il

ruolo degli epatociti è quello di eliminare le tossine presenti nel fegato. Tutti i farmaci vengono modificati

dagli epatociti nella fase di metabolismo dei farmaci cis possono essere degli elementi di tossicità. Un test è

quello di analizzare cosa avviene agli epatociti messi in contatto con un particolare farmaco. Il dispositivo

prevede una cocoltura di epatociti circondata da fibroblasti. La presenza dei fibroblasti che producono ECM

migliora il grado di complessità del sistema perché ho un ambiente più strutturato. Dai risultati si vede che

alcuni parametri della vitalità degli epatociti sono overespressi in presenza di fibroblasti.

Esempio di polmone:

Il polmone è una membrana. Il dispositivo è realizzato con una membrana che divide un canale, da un lato

abbiamo l’epitelio che rappresenta la parte di polmone a contatto con l’aria e nella parte sottostante

abbiamo l’endotelio relativo ai vasi sanguigni. È stata realizzata questa barriera invivolike con ai lati due

camerette che possono mimare ciò che avviene nei polmoni gonfiandosi così da eseguire uno stretching

sulla membrana. 54

SISTEMI BIOMIMETICI – CIARDELLI

Sistemi Biomimetici Ciardelli 17.05.17

Come avere maggiore biocompatibilità da una derivazione strutturale dei materiali e sistemi biologici.

Il problema dei materiali biologici è che sono costosi anche se biocompatibili, hanno cattive proprietà

meccaniche e sono tendenzialmente poco riproducibili.

I materiali sintetici sono riproducibili, costano meno, hanno proprietà meccaniche regolabili ma hanno

scarsa biocompatibilità.

La ricerca dei materiali bioartificiali combina sintetici e naturali in forma di miscele e compositi creando i

materiali polimerici bioartificiali, chiamati anche biosintetici. L’idea è avere materiali con buone proprietà

meccaniche, bassi costi di produzione ma buona biocompatibilità.

La ricerca è proseguita per creare n contatto sempre più intimo tra i due elementi per avere una maggiore

compatibilità. Rendiamo più intimo il contatto tra i due materiali per aumentare le prestazioni biologiche e

migliorare la miscibilità delle due componenti. Questo contatto può essere aumentato sinterizzando: con

un polimero si fa un processo di polimerizzazione. Si fa una polimerizzazione su matrice: ho un polimero

preformato, una matrice madre su cui polimerizzo un polimero figlio. Nei sistemi viventi la polimerizzazione

su matrice la ritrovo nella polimerizzazione del DNA, si staccano le catene e una catena diventa matrice,

anche nella polimerizzazione delle proteine dove la matrice è l’RNA messaggero.

La presenza della matrice influenza il prodotto, la sequenza di monomeri è “istruita” dalla madre, influenza

la velocità di polimerizzazione, le caratteristiche finali del prodotto.

Le cinetiche sono di 2 tipi:

1) Meccanismo zip (tipo 1): Possiamo avere in soluzione il polimero già formato. Ci deve essere una

certa interazione tra T e M, in natura questa interazione sono legami a idrogeno nel caso del DNA.

Usiamo monomeri e una matrice che possano realizzare iterazioni tra loro, legami a idrogeno o

legami ionici. Prima di cominciare la polimerizzazione le molecole di monomero si dispongono

lungo la catena madre già formata. Inserendo l’iniziatore parte la reazione di polimerizzazione

radicalica. La velocità della reazione è molto maggiore rispetto a quella che avremmo senza la

matrice perché abbiamo già tutti i monomeri disposti in ordine. Alla fine otteniamo la miscela

polimerica che in una prima fase può essere un polimero sintetico o naturale.

2) Meccanismo pick-up (tipo 2): Come prodotto finale abbiamo sempre la miscela di T e M ma

seguendo un meccanismo diverso. Il monomero non crea interazioni forti con la matrice per la sua

composizione chimica. All’inizio il monomero non si lega alla matrice ma inizia la polimerizzazione

quando mettiamo l’iniziatore col monomero in soluzione. A un certo punto la catena in crescita si

adsorbe sul polimero preformato per effetto cooperativo; i legami deboli moltiplicato per tutti i

monomeri danno un legame forte. La catena in crescita adsorbita sulla matrice preleva il

monomero dalla soluzione. Il processo ha velocità più lenta ma otteniamo comunque una miscela

intima dei due materiali.

L’impronta molecolare:

Prende spunto dai metodi sopra descritti. Il prodotto finale di questa tecnica è un materiale polimerico

ottenuto in presenza di una matrice (stampo) ma con uno scopo diverso, voglio introdurre nel materiale

55

polimerico uno stampo, una memoria geometrica della matrice. Ho il polimero ottenuto attorno allo

stampo, tolgo lo stampo e ottengo un polimero che ha una forma che ricorda lo stampo. Ricorda il processo

tra enzima e substrato, riconoscimento tra ligando e recettore.

Polimerizzazione del monomero in presenza del template: il tamplate può essere una molecola ad alto o

basso peso molecolare.

Nella tecnica di impronta molecolare faccio una polimerizzazione di un monomero in presenza di template,

ho lo stampo e il monomero che si adsorbe allo stampo creando delle interazioni. A questo punto faccio la

polimerizzazione, introduco un agente reticolante. Introduco dei monomeri bifunzionali che reticolano il

polimero, creano legami a ponte tra le catene per ottenere una rete. Il reticolante crea una maggiore

rigidità strutturale. Introduciamo la rigidità nel polimero perché voglio liberare la cavità di riconoscimento e

voglio che il polimero mantenga la forma ma anche la posizione dei gruppi funzionali nelle zone dove erano

state indotte dalla presenza del template. Ottengo un gel, qualcosa di insolubile in un solvente perché

sistema reticolato. Otteniamo un monolita con al suo interno dei macropori. Se lavoriamo con maggiore

diluizione il polimero reticolando precipita ottenendo tante palline separare. Se diluiamo ancora le palline

separate diventano sempre più piccole fino ad avere micro o nano particelle di polimero che contendono il

template.

Il passaggio successivo è quello di rimuovere il tamplate e deve essere fatto con un solvente che rompa i

legami a idrogeno così da liberare lo stampo. Lo stampo ha la proprietà di riconoscer il tamplate in una

seconda fase e rilegarlo selettivamente quando lo reincontra. Possiamo creare una cavità a impronta

molecolare molto selettiva ad esempio per un determinato farmaco, abbiamo un incastro geometrico e una

minimizzazione di energia dovuto alla formazione di legami a idrogeno. Otteniamo un sistema di

riconoscimento selettiva per una particolare molecola.

Questi sistemi possono essere usati per:

• Cromatografia: metodo di separazione. Mettiamo la miscela su un sistema su cui la miscela si

comporta in modo diverso e riesco a separare. Il mezzo che separa è la fase stazionaria mentre il

solvente è la fase mobile. Possiamo fare una fase stazionaria per cromatografia con un polimero a

impronta molecolare.

• Anticorpi artificiali

• Enzimi artificiali

• Infigo diagnostics biosensori

• Purificazione extracorporea

• Sistemi impiantabili con caratteristiche di riconoscimento: costruisco una membrana a impronta

molecolare per un adsorbimento selettivo di una particolare molecola che voglio rimuovere dal

sangue.

MIP/Sensore:

Usiamo il polimero a impronta molecolare (MIP) come elemento di riconoscimento in sensore biomimetico.

Accoppiamo al fenomeno di legame anche un segnale, una trasduzione per avere un sensore. Un

trasduttore che al fenomeno di rilegame dia un segnale.

Come costruire un sensore MIP per l’albumina:

Creo il polimero a impronta molecolare per l’albumina. Uso la miscela, il monomero, un reticolante,

l’albumina (template) e un iniziatore. Prendo la miscela e la deposito su un cristallo piezoelettrico ceh sarà

il trasduttore. Irraggiamo con la luce per fare partire la polimerizzazione e otteniamo unn film di polimero

56

mip sul piezoelettrico con la proteina, rimuoviamo la proteina e otteniamo lo stato con le cavità per

l’albumina. Inserendo una miscela con albumina si hanno i legami di albumina delle cavità, una variazione

di massa e un segnale prodotto al cristallo piezoelettrico.

Specificità: il legame avviene grazie alle cavità, non è un semplice adsorbimento: faccio due polimero, uno

con la proteina e una senza. A questo punto ho costruito il polimero di controllo CP (NIP) e confronto il

rilegame di albumina del controllo con un polimero a impronta molecolare.

Selettività: quanto è più bravo il MIP nel rilegare l’albumina rispetto ad altre proteine. Colonne scure. Il

template è legato di più rispetto agli altri competitor.

Enzima mimetico o enzima plastico:

Oggetto che catalizza le razioni chimiche ma non costituito da una catena polipeptidica ma da un materiale

sintetico. Il vantaggio è avere un materiale molto più robusto. L’enzima naturale è sensibile alle condizioni

di relazione. Lo stesso enzima in materiale plastico può lavorare anche a temperature maggiori. Lo

svantaggio è che non si hanno le stesse performance degli enzimi. Voglio che lo stampo faccia incontrare

due molecole. In generale un catalizzatore abbassa l’energia di attivazione (vedi grafico su internet su

funzionamento enzimi). Perché la razione avvenga si deve formare il complesso attivato. Il catalizzatore

favorisce la stabilità del complesso attivato, crea una situazione in cui A e B si incontrano a una energia

minore. Il catalizzatore aumenta la velocità di reazione. La proteasi crea un ambiente chimico tale da

favorire la rottura del legame, abbassare l’energia del complesso attivato. Per creare una cavità catalitica

col MIP devo creare una cavità che stabilizzi il complesso attivato. Faccio l’impronta molecolare col

complesso attivato ma il complesso attivato non esiste. Si deve trovare una molecola che somigli al

complesso attivato. Esempio: reazione di idrolisi di un Estere. Possiamo utilizzare un acido solfonico per

creare una cavità in cui mettendo acqua e estere mi stabilizza lo stato di transizione.

Imprinting di acidi nucleici:

L’esperimento prende un template che è il gene della Verotossina, gene corto con tanti A e T. Si è tentato di

costruire un MIP in grado di riconoscere selettivamente questo gene. Il polimero ha usato un monomero

che si complessa bene alle coppie A-T e quindi in grado di avere interazioni forti nella cavità con un

tamplate ricco di coppie A-T. Sono stati usati 3 polimeri.

Imprinting di proteine:

Possiamo fare legami specifici per le proteine. Le proteine sono template particolari perché tendono a

cambiare forma, la struttura tridimensionale di una proteina si conserva solo in condizioni fisiologiche. Il

lsozima è una proteina che cristallizza, struttura che non varia anche in condizioni di stress. In generale

posso imprintare una proteina con un approccio dell’epitopo, porzione della proteina che viene

riconosciuta dagli anticorpi, porzione esposta. Imitiamo questo meccanismo provando ad imprintare il

polimero usando come template non tutta la proteina ma solo l’epitopo, parti di proteina coinvolta nel

processo di riconoscimento. L’ossitocina ha un epitopo di 4 amminoacidi.

57

SISTEMI BIOMIMETICI – CHIONO

Sistemi Biomimetici Chiono 26.04.17

Miscele polimeriche:

Materiali che otteniamo andando a miscelare tra loro più polimeri ottenendo un materiale nuovo le cui

caratteristiche sono diverse da quelle dei polimeri di partenza. Abbiamo due polimeri A e B, e le proprietà

di ognuno sono legate all’unità monomerica. Possiamo realizzare dei copolimeri, polimeri con le unità A e B.

questo metodo è evitato perché è un metodo di tipo chimico, si deve sintetizzare un materiale nuovo con

un processo costoso. È più semplice se abbiamo due polimeri già fatti che andiamo solo a miscelare in

modo fisico, minore costo. Le miscele polimeriche nascono per creare materiali avanzati in modo

economico.

Proprietà che possiamo modificare miscelando:

Possiamo andare ad alterare le caratteristiche meccaniche. Il polistirene è un materiale solido fragile. Se

andiamo a miscelare questo materiale con uno più flessibile come il polibutidiene otteniamo il polistirene

con domini di polietilene che è resistente all’impatto, non è più fragile.

Le miscele consentono di migliorare la processabilità dei materiali. I polimeri naturali sono dei materiali

biomimetici che si processano con difficoltà perché delicati. Rispetto ai sintetici non possiamo usare le alte

temperature perché rischiamo di degradare o denaturare il materiale perdendo le caratteristiche

funzionali.

Esempio: miscele polimero naturale-sintetico per un materiale più facilmente processabile. La tecnica

pensata era una tecnica di selective laser sintetive, tecnica che usa il polimero in forma di polveri.

Depositiamo le polveri su un piano realizzando un primo layer e sintetizziamo col laser il layer in modo

controllato. L’operazione viene fatta N volte e si eliminano le polveri in eccesso. Questo processo è fattibile

con un polimero sintetico. Dove il laser colpisce la polvere essa fonde e si forma la struttura. Se facciamo lo

stesso con polveri di polimero naturale il risultato non è buono perché la polvere brucia e non abbiamo

fusione. Facendo miscele polimero sintetico/polimero naturale otteniamo una miscela (PCL 90%-

Polisaccaride come l’amido 10%) otteniamo delle polveri da processare. Avendo una matrice di polimero

sintetico con disperso il polimero naturale il processo funziona e il polimero naturale non subisce fenomeni

di denaturazione.

Riciclo dei polimeri: abbiamo una serie di plastiche da recuperare, alcuni metodi consistono nel bruciale il

polimero di rifiuto, un altro modo per riciclare un polimero consiste nel trattare chimicamente il polimero e

farlo tornare monomero con una depolimerizzazione. Spezziamo le catene e otteniamo il monomero.

Questo processo è costoso. Un metodo conveniente è andare a miscelare le plastiche tra loro, realizziamo

le miscele con un processo fisico (costi limitati) per ottenere un materiale con valore aggiunto.

Possiamo miscelare polimeri o copolimeri in diverso numero.

58

Le miscele che otteniamo sono di 2 tipi:

Possiamo avere miscele miscibili o immiscibili.

1) Miscibili: Una miscela è miscibile se abbiamo due polimeri miscelati tra loro e otteniamo una fase

singola, un materiale perfettamente omogeneo, vediamo una singola fase. Abbiamo realizzato un

miscelamento a livello molecolare tra i due materiali che diventano indistinguibili. Le miscele

miscibili possono essere totalmente miscibili se lo sono sempre in ogni condizione e rapporto in

peso. Sono parzialmente miscibili se ci sono dei range di composizione in cui la miscela è una fase

unica e altri in cui la miscela si separa in due fasi. Se parzialmente miscibile otteniamo miscele

omogenee negli estremi del range e nel range medio abbiamo la separazione di fase.

Tendenzialmente abbiamo miscele immiscibili, partendo da tue polimero otteniamo un sistema

eterogeneo costituito da due fasi. Nelle miscibili in sezione con l’analisi morfologica osserviamo un

qualcosa di omogeneo.

2) Immiscibile: osserviamo una matrice di una tipologia di polimero con dispersa la fase dell’altro

polimero, non abbiamo una fase unica. I domini dispersi del componente minore possono essere di

vari dimensioni. Se sono di dimensioni da pochi a 50 micron con diametro medio elevato

contemporaneamente abbiamo una separazione all’interfaccia delle due fasi. I due componenti

interagiscono poco tra loro e si separano all’interfaccia. Abbiamo una miscela immiscibile

incompatibile: diametro medio elevato con grande deviazione standard e interazione tra i due

polimeri bassa. La prima conseguenza è legata alla scarsa adesione all’interfaccia, come se

avessimo delle piccole cricche all’interfaccia per cui sollecitato meccanicamente è fragile e tende a

rompersi, non ha buone caratteristiche meccaniche. Le miscele immiscibili compatibili invece

presentano buona iterazione tra i due componenti con dimensione piccola delle particelle disperse

con buona adesione tra le due specie. In questo caso non abbiamo problemi di caratteristiche

meccaniche; le caratteristiche dei due polimeri sono combinate.

Spesso otteniamo miscele immiscibili e incompatibili.

Con strategie di compatibilizzazione passiamo dall’incompatibilità alla compatibilità.

Il requisito di miscibilità è un requisito di tipo termodinamico: Δ


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria biomedica
SSD:
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher enea.peretti di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Sistemi biomimetici e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Torino - Polito o del prof Ciofani Gianni.

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