Impianti ceramici e ibridi magnetici

Scaffold porosi ceramici e ibridi con proprietà superparamagnetiche

Responsabili: Simone Sprio, Monica Sandri, Michele Iafisco, Anna Tampieri
Personale coinvolto: Massimiliano Dapporto, Alessio Adamiano, Silvia Panseri, Monica Montesi, Elisabetta Campodoni, Marta Tavoni

Gli scaffolds ossei magnetici sono attualmente considerati come promettenti fattori chiave per la rigenerazione ossea, grazie alla loro abilità nell’inviare segnali magnetici alle cellule e stimolare i processi rigenerativi.

Al fine di esibire una composizione che mimi il più possibile l’osso naturale e consentire la stimolazione fisiologica dei processi osteogenici e angiogenetici, gli scaffolds ossei bioattivi sono dotati di proprietà magnetiche mediante incorporazione o sostituzione con ioni ferro. La composizione ceramica bioattiva basata su fosfati di calcio come l’idrossiapatite o il fosfato tricalcico viene associata con ossidi di ferro superparamagnetici per ottenere compositi bioattivi. Tali miscele vengono trattate mediante varie tecnologie di formatura quali replica, foaming, freeze casting, per ottenere corpi porosi che sono poi sottoposti a consolidazione termica. Il processo di sinterizzazione è condotto sotto atmosfera riducente per prevenire l’ossidazione degli ioni ferro e la diminuzione delle proprietà superparamagnetiche. Lo scaffold ceramico può trovare applicazione in ortopedia come sostituto di difetti di dimensioni critiche.

Per ottenere scaffolds maggiormente simili al tessuto osseo, scaffolds porosi ibridi con proprietà magnetiche vengono sviluppati mediante processi di biomineralizzazione che rendono possibile l’auto-assemblaggio di miscele di polimeri naturali, basate in particolare su collagene di Tipo I, e la simultanea mineralizzazione con apatiti sostituite con ioni ferro divalenti e trivalenti in specifici siti reticolari del calcio così da generare proprietà magnetiche intrinseche. Gli scaffolds vengono ottenuti mediante freeze drying orientato e stabilizzato da reticolazione chimica. La forte similitudine di composizione e struttura con il tessuto osseo fornisce l’abilità di dirigere il destino cellulare in senso osteoblastico. La stabilizzazione dello scaffold mediante reticolazione consente di avere bio-riassorbimento controllato e rigenerazione dei difetti ossei. Gli scaffolds magnetici ibridi possono essere applicati come sostituti ossei rigenerativi in ortopedia, chirurgia spinale e odontoiatria. Essi possono anche essere sviluppati come scaffolds multifunzionali mimanti regioni anatomiche complesse quali giunti o parodonto con gradienti composizionali e magnetici per fornire forze magnetiche che stimolano la rigenerazione ossea.

Le durature collaborazioni con aziende attive nel campo biomedicale sono un importante fattore per lo sviluppo di nuovi biomateriali e dispositivi per risolvere necessità cliniche di rilevante impatto socio-economico. In particolare, il coordinamento di progetti finanziati dalla EC (p.es.: MAGISTER, Ageing) e la collaborazione con aziende attive nel biomedicale come Finceramica S.p.A. ha portato allo sviluppo di un brevetto internazionale che protegge le apatiti e gli scaffold superparamagnetici.

Strumenti e Processi

Tecnologie utilizzate per sviluppare scaffold magnetici 3-D di grandi dimensioni

Sintesi chimica
Trattamento polveri
Replica mediante templanti sacrificali
Foaming diretto
Freeze casting
Processi di sinterizzazione in atmosfera controllata

Tecnologie utilizzate per sviluppare scaffold biomimetici ibridi

Biomineralizzazione
Liofilizzazione
Reticolazione

Dalla macro alla micro-rappresentazione dell’ibrido magnetico.

Principali collaborazioni

Istituti Ortopedici Rizzoli (Italia)
Università di Santiago de Compostela (Spagna)
Università Friedrich Schiller di Jena (Germania)
Finceramica S.p.A. (Italia).

Progetti

Pubblicazioni e brevetti

Sprio S., Campodoni E., Sandri M., Preti L., Keppler T., Müller F. A., Pugno N. M., Tampieri A. A Graded Multifunctional Hybrid Scaffold with Superparamagnetic Ability for Periodontal Regeneration. International Journal of Molecular Sciences 19 (2018) 3604 IF 3.687
Sprio S., Panseri S., Adamiano A., Sandri M., Uhlarz M., Herrmannsdorfer T., Landi E., Pineiro-Remondo Y., Tampieri A. Porous hydroxyapatite-magnetite composites as carriers for guided bone regeneration. Frontiers in Nanoscience and Nanotechnology. 3(1) (2017) 1-9 doi: 10.15761/FNN.1000145, ISSN: 2397-6527 IF: 1.2
Patricio T., Panseri S., Sandri M., Tampieri A., Sprio S. New bioactive bone-like microspheres with intrinsic magnetic properties obtained by bio-inspired mineralisation process. Material Science and Engineering C 77 (2017) 613–623 IF: 3.2
Russo A., Bianchi M., Sartori M., Parilli A., Panseri S., Ortolani A., Sandri M., Boi M., Salter D., Maltarello M.C., Giavaresi G., Fini M., Dediu V., Tampieri A., Marcacci M. Magnetic forces and magnetized biomaterials provide dynamic flux information during bone regeneration Journal of Materials Science: Materials in Medicine, (2016) 27:51. DOI 10.1007/s10856-015-5659-0. IF: 2.27
De Santis R., Russo A., Gloria A., D’Amora U., Russo T., Panseri S., Sandri M., Tampieri A., Marcacci M., Dediu V.A., Wilde C.J., Ambrosio L. Towards the design of 3D fiber-deposited poly(e-caprolactone)/iron-doped hydroxyapatite nanocomposite magnetic scaffolds for bone regeneration. Journal of Biomedical Nanotechnology 11(7) (2015) 1236-1246 IF: 7.6
Tampieri A., Iafisco M., Sandri M., Panseri S., Cunha C., Sprio S., Savini E., Uhlarz M., Herrmannsdörfer T. Magnetic bio‐inspired hybrid nanostructured collagen‐hydroxyapatite scaffolds supporting cell proliferation and tuning regenerative process. ASC Applied Materials & Interfaces 6 (2014) 15697-15707. IF: 7.145
Panseri S., Russo A., Sartori M., Giavaresi G., Sandri M, Fini M., Maltarello M.C., Shelyakova T., Ortolani A., Visani A., Dediu A., Tampieri A., Marcacci M. Modifying bone scaffold architecture in vivo with permanent magnets to facilitate fixation of magnetic scaffolds. Bone 56, (2013) 432-439 http://dx.doi.org/10.1016/j.bone.2013.07.015. IF: 3.823