ELETTROFILABILITA’ PER DISPOSITIVI MEDICI INNOVATIVI S.Tedesco, G.D’Avenio, C.Daniele, M.Grigioni Dipartimento di Tecnologie e Salute, Istituto Superiore di Sanità, Roma Introduzione Risultati e discussione Una volta messe le basi per la garanzia di filatura, il passo successivo è stato quello di procedere a un attento studio della letteratura, per evidenziare: tutti i parametri coinvolti nella formazione della fibra voluta e nel perfezionamento delle sue proprietà (condizioni operative e ambientali, proprietà polimero-solvente, variabili di processo) I parametri più influenti e determinanti per tale ottimizzazione Le informazioni ottenute sono poi state inserite in un percorso di ottimizzazione a circuito chiuso per il diametro della fibra, il quale, attraverso iterazioni statistiche successive e con l’aiuto di modelli già esistenti, permette di pervenire al risultato finale. Il seguente diagramma di flusso può fornire un’idea del ragionamento che è stato seguito. L’ingegneria dei tessuti necessita di adeguate imapalcature per rinforzare o sostituire organi o tessuti danneggiati, mancanti o compromessi. A questo scopo sono necessarie reti porose interconnesse che mimino la struttura della matrice extracellulare (ECM), per formare una griglia di supporto attorno alle cellule, provvedendo così a un ancoraggio delle stesse. Tra le varie tecniche esistenti l’electrospinning, con la sua semplicità, versatilità e scalabilità, permette architetture a nanoscala (e dunque con maggiori siti di legame per le cellule), che lo rendono perciò un eccellente candidato. Passi del lavoro di pianificazione a circuito chiuso della filatura della fibra: In un primo tempo sono stati enucleati i parametri che danno le condizioni per l’elettrofilabilità e dunque per la garanzia della formazione della fibra. Tra questi uno dei più cruciali è Il parametro ne, cioè il numero di entanglements, e cioè il numero di sovrapposizioni di catene polimeriche per catena; esso tiene conto della coesione della catena polimerica, ed è determinante per l’elettrofilabilità in quanto previene il collasso del getto. Si definisce dunque: Dove: Mw= peso molecolare del polimero Φ= frazione di volume del polimero (tiene conto degli effetti di diluizione dovuti alla presenza del solvente) Me=peso molecolare dell’entanglement, funzione della topologia o geometria della catena Condizioni per l’elettrofilabilità: ne<2 : grani (electrospray) 2>ne>3: fibre pure insieme a fibre con grani ne>3: fibre pure (2.5 entanglements per catena) Sono riportati nella figura seguente gli effetti di miglioramento della purezza della fibra che si ottengono quando si agisce direttamente sui parametri in gioco; il risultato, come si vede, si evidenzia nella riduzione della taglia dei grani. Il presente lavoro trova la sua motivazione dalla necessità sperimentale di costruire una buona fibra; dunque si propone di trovare le caratteristiche critiche e determinanti per garantire la formazione della stessa, nonchè le complessive variabili coinvolte su cui si possa agire per migliorarla. L’obiettivo di questa ricerca è quello di fornire un metodo per una progettazione e pianificazione della tecnica dell’electrospinning, in particolare in modalità iterativa a circuito chiuso, tale da assicurare la formazione della fibra desiderata, in quanto a dimensioni e proprietà, e anche in modo da evitare eccessivi difetti. Materiali e metodi Conclusioni L’electrospinning è oggi una tecnica molto promettente da utilizzare nell’ingegneria dei tessuti, e favorisce la costruzione di impalcature protesiche sempre più corrette e adeguate, in termini di materiali, proprietà chimiche e fisiche, biodegradabilità. Un attento studio dei parametri, proprietà e dinamiche in gioco permette di pianificare preventivamente la costruzione delle fibre volute, evitando difetti o risultati non desiderati; una progettazione a circuito chiuso permette poi di migliorare la fibra anche partendo da condizioni non ottimali. Una ottimale progettazione delle impalcature ottenute con la tecnica dell’electrospinning è oggi particolarmente utile per la medicina rigenerativa, in particolare per costruire protesi di vasi sanguigni o di porzioni di organi. Figura 1. Rappresentazione schematica della tecnica dell’electrospinning: il getto emesso elettricamente si muove verso il collettore allungandosi con una deformazione elastica mentre evapora il solvente; una volta depositato va a formare la fibra voluta. Figura.2 L’electrospinning genera impalcature 3D con connessioni ampie e porose, e permette costruzioni di vari tipi di forme, e la produzione di fibre molto sottili, di diametro dell’ordine fino alla scala nanometrica; questo lo rende perciò un eccellente candidato per l’ingegneria dei tessuti perchè le architetture a nanoscala hanno una maggiore area di superficie per assobire le proteine, e presentano più siti di legame per i recettori delle membrane cellulari Figura3. Esempi di ottimizzazioni sulla purezza della fibra (azione tramite correzione del valore della tensione applicata e di quello della concentrazione della soluzione) . Riferimento da Albana et al., Università Tecnica di Ankara, Turchia Contatti: Silvia Tedesco: silviated@gmail.com Presentato al Terzo Congresso del Gruppo Nazionale di Bioingegneria GNB2012 Roma, 26-29 giugno 2012