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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3268

Title: Design and microfabrication of a smart 3D scaffold for tissue engineering with vascular and immuno-protection capabilities
Authors: Bakeine, Gerald James
Supervisor/Tutor: Tormen, Massimo
Prati, Ubaldo
Co-supervisor: Tommasini, Fernando
Issue Date: 8-Mar-2007
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Tissue loss or end-stage organ failure caused by injury or other types of damage is one of the most devastating and costly problems in human health care. Although surgical strategies have been developed to deal with these problems, and significant advances have been achieved in organ transplantation, it is extremely limited by a critical donor shortage and the necessity of lifelong immunosuppression and its serious complications. In the USA, more than 6,000 people die each year as a result of shortage of donor organs. Tissue engineering [TE] is seen by many as the only way to address this shortage. TE is an interdisciplinary field that draws from materials science, cell biology, biotechnology and chemistry, and strives to offer a new solution to tissue loss or organ failure through the use of synthetic, hybrid, or natural materials that have been designed and fabricated into a 3-dimensional scaffolds that provide support and allow cell attachment, proliferation, differentiation and function. However, Skin and cartilage are the only two tissues grown under laboratory conditions that have achieved successful clinical application. The main reason for this is that cartilage doesn’t require blood vessels or nerves and skin is sustained by nutrients that diffuse through the thickness of the cells that make up the graft. Attempts to grow more biologically challenging tissue and organs have been had mixed results. The obstacles and challenges that have to be overcome include: 1. Graft loss/failure due to at the cyto-incompatibility at the graft-biomaterial interface and bio-incompatibility host-biomaterial interface. 2. Inadequate neovascularization and nutrient channels to support cell survival deep in the interior of the scaffolds. 3. Immuno-rejection of allogenic graft. 4. Lack of healthy easily accessible cells for use in tissue engineering To this end we have developed “smart” biomaterials with nano-scale architecture to elicit desirable cell response (cytocompatibility) at the cell-biomaterial interface and desirable host response (biocompatibility) at the host biomaterial interface. We then designed and microfabricated an original scaffold that incorporated the “smart” architecture and microfluidic network to permit the flow of nutrient-rich media deep in the interior. The scaffold consists of two microporous hemi-membranes that are superimposed and aligned in such a way that the micropores are laterally offset. Sandwiched between these hemi-membranes is a microfluidic channel network that runs perpendicular to the micropore axis and permits interconnectivity between the laterally offset micropores. By decreasing the size of the channels from the micro- to the nano- scale the scaffold acquires a another “smart” characteristic as a immuno-isolating membrane. To examine the scaffold’s potential for tissue regeneration, muscle myoblast cells (mouse C2C12 cell-line), neuroblastomas (mouse PC12 cell-line) and embryonic stem cells (mouse TBV-2 cell-line) were seeded and cultured on the scaffolds. Biocompatibility was evaluated by subcutaneous implantation of the scaffold in mice. Results show that myoblast and neuroblastomas attached, proliferated and differentiated. The exponential cell proliferation associated with in vitro embryonic stem cell culture was controlled. In vivo studies demonstrated scaffold-host integration as evidenced by vascular colonisation of the scaffold.. By developing the ability to construct and control the following scaffold parameters; microporous architecture; microfluidic interconnectivity and canal size; the external and internal shape of the scaffold and it’s multi-scaled surface architectures, the “smart” scaffold developed in our laboratories have great potential as an ideal scaffold for tissue engineering.
Nella cura del benessere degli uomini, tra i problemi di maggior impatto e costo si trovano la perdita di tessuti e di funzionalità degli organi, causati da ferite o incidenti di altro genere. Sebbene siano state sviluppate efficaci strategie chirurgiche per ovviare a tali problemi, e nonostante i significativi avanzamenti tecnici raggiunti nel campo del trapianto degli organi, il ricorso a tale soluzione è fortemente limitato dal basso numero di donatori di organi e dalla necessità di durature terapie immuno-soppressive, con il loro portato di serie complicazioni. Basti pensare che a causa della mancanza di un adeguato numero di donatori, solo negli USA ogni anno muoiono più di 6000 persone. Secondo il parere di molti, la strada più promettente per affrontare questo problema è la Ingegneria dei Tessuti Biologici (ovvero Tissue Engineering [TE], dall’acronimo dell’equivalente inglese). Si tratta di un approccio interdisciplinare, che combinando conoscenze e tecnologie dai campi della Scienza dei Materiali, Biologia Cellulare, Biotecnologia e Chimica offre la possibilità, in principio, di trovare soluzioni innovative per la sostituzione di tessuti o organi non più funzionali; la strada maestra in questo campo è la progettazione e costruzione di strutture tri-dimensionali (scaffold) capaci di provvedere al supporto funzionale di cellule cresciute in vitro, integrando materiali sintetici, naturali e ibridi. Tuttavia, al momento soltanto pelle e cartilagini sono state cresciute in condizioni controllate da laboratorio e hanno raggiunto lo stadio della applicazione clinica. Il motivo fondamentale per tale successo, e per la limitazione a questi due soli casi, è che la cartilagine non necessita di vascolarizzazione o innervazione per sostentarsi, e la pelle ottiene i suoi nutrienti per mezzo della diffusione attraverso gli strati di cellule che la sostengono e ne garantiscono l’attecchimento. Tentativi per crescere altri tipi di tessuti e organi hanno incontrato gravi difficoltà; 1. perdita di adesione a causa della cito-incompatibilità all’interfaccia di connessione e della bio-incompatibilità tra i materiali dell’impianto e il corpo ospitante 2. scarsa o inadeguata vascolarizzazione dell’impianto, tale per cui le cellule all’interno della struttura 3-D non vengono raggiunte dai nutrienti necessari per una sopravvivenza a lungo termine 3. rigetto immunologico del tessuto trapianto 4. mancanza di facile accesso alle cellule necessarie per la costruzione degli impianti Con lo scopo di rispondere a queste richieste, abbiamo sviluppato bio-materiali “smart” contraddistinti da una architettura a livello nano-metrico, capaci di stimolare la desiderata risposta cellulare (compatibilità citologica) all’interfaccia con il bio-materiale stesso, e capace di promuovere la bio-compatibilità con il corpo ospitante. Usando le tecniche della micro-fabbricazione, abbiamo quindi progettato e realizzato una struttura 3-D originale (lo scaffold) che incorpora tale architettura “smart” e il sistema micro-fluidico che garantisce l’apporto del flusso dei nutrienti al suo interno. Tale struttura consiste da membrane sovrapposte ed allineate in modo che lateralmente si aprano dei pori di comunicazione con dimensioni micrometriche. Compreso tra queste membrane si trova il sistema microfluidico, capace di garantire l’interconnessione trai pori con un sistema di canali che scorre perpendicolarmente all’asse dei pori stessi. Una ulteriore caratteristica di questo sistema è che riducendo la scala dei canali microfluidici al livello di scala nano-metrica, lo “scaffold” acquisisce proprietà immuno-isolanti. Per lo studio della sue potenzialità nel campo della rigenerazione tissutale, abbiamo cresciuto nello “scaffold” mioblasti muscolari (linea cellulare C2C12 del topo), neuroblastomi (linea cellulare PC12 del topo) e cellule staminali embrionali (TBV-2 del topo). La biocompatibilità è stata valutata impiantando lo “scaffold” in topi da laboratorio. I risultati mostrano come i mioblastomi e i neuroblastomi aderiscono allo “scaffold”, proliferano e si differenziano. Abbiamo controllato la proliferazione esponenziale associata con la cultura in vitro delle cellule staminali embrionali e lo studio delle condizioni in vivo dimostra la integrazione dello “scaffold” nel corpo dell’ospite, come risultato della riuscita vascolarizzazione della sua struttura. Con il controllo della architettura micro-porosa; interconnettività microfluidica e dimensione dei canali; della geometria esterna ed interna e della sua struttura e conformazione superficiale a scala nano-metrica, lo “scaffold” risultante, sviluppato nei nostri laboratori, mostra enormi potenzialità come struttura ideale per la Ingegneria dei Tessuti Biologici.
PhD cycle: XIX Ciclo
PhD programme: NANOTECNOLOGIE
Description: 2005/2006
Keywords: tissue engineering
TE
tissue loss
organ failure
smart biomaterials
cytocompatibility
biocompatibility
tissue regeneration
scaffold-host integration
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: FIS/07 FISICA APPLICATA (A BENI CULTURALI, AMBIENTALI, BIOLOGIA E MEDICINA)
NBN: urn:nbn:it:units-3927
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