Compositi Bio-Ibridi per la Medicina Rigenerativa

Rigenerazione di regioni anatomiche multifunzionali

Responsabili: Anna Tampieri, Monica Sandri
Personale coinvolto: Elisabetta Campodoni, Margherita Montanari, Chiara Artusi

L’attività di ricerca è dedicata allo sviluppo di processi biologicamente-ispirati di mineralizzazione, auto-assemblaggio e auto-organizzazione di building blocks nano-strutturati verso la realizzazione di dispositivi ibridi multi-funzionali.

Sono sviluppati impianti per rigenerazione ossea e osteocondrale, che riproducono le caratteristiche fisico-chimiche e morfologiche dei tessuti connettivali duri umani (osso, cartilagine, dentina, smalto).

Grazie alla loro elevata biomimesi con i tessuti biologici naturali, questi impianti mostrano elevate capacità rigenerative in vivo, dando origine ad una serie di brevetti e prodotti biomedicali già in commercio (RegenOss® and MaioRegen®) commercializzati da Finceramica S.p.A (nata come spin-off di ISTEC-CNR).

Fibre di collagene tipo I vengono mineralizzate con nano-cristalli di idrossiapatite, che presentano caratteristiche chimico-fisico-strutturali analoghe alla componente minerale dell’osso, rendendo l’intero costrutto finale altamente mimetico.

Il processo di sintesi messo a punto dalla ricerca risulta flessibile e permette di variare il grado di mineralizzazione dei materiali ibridi in modo da poter realizzare strutture a gradiente di fase minerale in grado di mimare le caratteristiche dei differenti tessuti di regioni anatomiche multifunzionali. In particolare vengono riprodotte regioni osteo-cartilaginee (osso subcondrale, cartilagine mineralizzata e cartilagine ialina) e parodontali (osso periodontale, dentina, cemento e smalto).

Blends di polimeri naturali auto-assemblanti (es. nano-cellulosa, alginato, chitosano) vengono utilizzati insieme al collagene di tipo I per ottenere impianti dotati di maggiori performance meccaniche, nonché per variare opportunamente distribuzione e dimensione dei pori. Il controllo di tali parametri può essere modulato anche con l’ausilio di opportuni processi di reticolazione che vedono l’impiego di agenti reticolanti biocompatibili (es. 1,4-butanediol diglycidyl ether, genipina e ribosio) o l’applicazione di processi di reticolazione idrotermale, con il fine di controllare la cinetica di riassorbimento in vivo rendendola coerente con i processi di rigenerazione e rimodellamento.

Rappresentazione del processo per ottenere collagene mineralizzato con idrossiapatite magnesio sostituita

Strumenti e Processi

La sintesi di dispositivi in forme complesse non ottenibili con tecniche convenzionali di fabbricazione viene ottenuta mediante tecniche di morfo-sintesi in cui strutture naturali o macromolecole vengono utilizzate come templanti su cui viene indotta la nucleazione eterogenea di fasi minerali nano-strutturate biomimetiche.

Queste tecniche portano all’ottenimento di impianti per rigenerazione ossea e osteocondrale, che riproducono le caratteristiche fisico-chimiche e morfologiche dei tessuti connettivali duri umani (osso, cartilagine, dentina, smalto, cemento).

Principali collaborazioni

Università degli studi di Torino, dipartimento di Chimica IFM;
Laboratoire d’evaluation des materiels implantables (LEMI);
FINCERAMICA Faenza S.p.A.;
Università Cattolica Sacro Cuore, Clinica Ortopedica;
Istituti Ortopedici Rizzoli;
Università di Bologna;
University of Genova;
Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung Potsdam;
Friedrich-Alexander-Universiteit Erlangen;
Lulea Tekniska Universitet;
University of Brighton;
Friedrich-Shiller Universitat Jena;
University of Basel;
PreSens;
University of York;
Leeds University;
Weizmann Institute;
Leibniz-Institut für Neue Materialien GmbH

Progetti

Pubblicazioni e brevetti

Menale, C., Campodoni, E., Palagano, E., Mantero, S., Erreni, M., Inforzato, A., … & Tampieri, A. (2019). Mesenchymal Stromal Cell‐Seeded biomimetic scaffolds as a factory of soluble RANKL in Rankl‐deficient osteopetrosis. Stem cells translational medicine, 8(1), 22-34.
Dellaquila, A., Greco, G., Campodoni, E., Mazzocchi, M., Mazzolai, B., Tampieri, A., … & Sandri, M. (2019). Optimized production of a high‐performance hybrid biomaterial: biomineralized spider silk for bone tissue engineering. Journal of Applied Polymer Science.
Polymeric 3D scaffolds for tissue regeneration: Evaluation of biopolymer nanocomposite reinforced with cellulose nanofibrils
Krishnakumar, G. S., Gostynska, N., Dapporto, M., Campodoni, E., Montesi, M., Panseri, S., … & Sandri, M. (2018). Evaluation of different crosslinking agents on hybrid biomimetic collagen-hydroxyapatite composites for regenerative medicine. International journal of biological macromolecules, 106, 739-748.
Krishnakumar, G. S., Gostynska, N., Campodoni, E., Dapporto, M., Montesi, M., Panseri, S., … & Sandri, M. (2017). Ribose mediated crosslinking of collagen-hydroxyapatite hybrid scaffolds for bone tissue regeneration using biomimetic strategies. Materials Science and Engineering: C, 77, 594-605.
Scaglione S., Giannoni P., Bianchini P., Sandri M., Marotta R., Firpo G., Valbusa U., Tampieri A., Diaspro A., Bianco P. and Quarto R. Order versus Disorder: in vivo bone formation within osteoconductive scaffolds. In: Scientific Reports (Nature) Publ. Febr. 2012 2 : 274 | DOI: 10.1038/srep00274
Tampieri A., Sprio S., Sandri M. et al. Mimicking natural bio-mineralization processes: A new tool for osteochondral scaf-fold development. Trends in Biotechnology 29(2011) 526-35.
Babiker H., Ding M., Sandri M., Tampieri A., Overgaard S. The effects of bone marrow aspirate, bone graft and collagen composites on fixation of titanium implants. In: Journal of Biomedical Materials Research: Part B – Applied Biomaterials (2011) – DOI: 10.1002/jbm.b.32509
Tampieri A., Landi E., Valentini F., Sandri M., D’Alessandro T., Dediu V. and Marcacci M. A conceptually new type of bio-hybrid scaffold for bone regeneration. In: Nanotechnology. 22; (2011) 105-104.
A. Tampieri, M. Sandri, et al. Design of graded biomimetic osteochondral composite scaffolds Biomaterials 29 (26), (2008) 3539-46.
Brevetto Internazionale (PCT/IB2006/000452) WO2006092718 Cartilaginiform and osteochondral substitute comprising multilayer structure and use thereof. Tampieri A., Pressato D., De Luca C., Di Fede S., Landi E.
Brevetto Internazionale (PCT/IB2006/002843) WO 2007/045953: A composite based on an apatite and a polysaccharide, method for its preparation and uses thereof. Landi E., Tampieri A., Sandri M., Di Fede S., Pressato D.