Electrospinning of biopolymers for regenerative medicine

La matrice extra cellulare (ECM) e la struttura tridimensionale, formata da fibre interconnesse, che funge da impalcatura per le cellule e svolge un ruolo fondamentale nel determinare la funzione dei tessuti connettivi. Essa e costituita da diverse tipologie di proteine, polisaccaridi e glicoproteine. Nel campo dell’ingegneria dei tessuti, uno scaffold con composizione e proprieta adeguate e di fondamentale importanza per favorire i processi fisiologici di rigenerazione. In questo ambito, l’elettrofilatura (ES) rappresenta un’efficace tecnica di fabbricazione, poiche permette la produzione di matrici costituite da nanofibre in maniera semplice ed economica; inoltre, i polimeri naturali, e in particolare i biopolimeri della ECM, possono essere processati tramite ES, in modo da ottenere delle membrane con composizione chimica e morfologia molto simili a quelle della ECM fisiologica. In letteratura, molti lavori hanno investigato l’ES di biopolimeri; tuttavia, rimangono alcuni limiti. Ad esempio, i solventi comunemente utilizzati per l’ES non sono sempre adeguati per i polimeri naturali e possono essere tossici o causare denaturazione delle molecole; le soluzioni di biopolimeri generalmente non hanno proprieta viscoelastiche adeguate per un processo di ES stabile; infine, un post-trattamento di reticolazione, necessario per migliorare la stabilita delle matrici, potrebbe introdurre residui citotossici. Di conseguenza, una migliore comprensione del processo di ES dei biopolimeri e necessaria per trovare possibili soluzioni ai limiti sopra esposti, con il fine di produrre membrane che possano essere utilizzate come scaffold per l’ingegneria dei tessuti. Nel Capitolo 1 vengono descritte la composizione e la funzione della ECM, e le strategie piu studiate per riprodurne la struttura. In seguito, viene introdotto il processo di ES, e discussa l’influenza di numerosi parametri di processo. Un’attenzione particolare e riservata all’ES di polimeri naturali e alle relative tecniche di caratterizzazione comunemente utilizzate in letteratura. Nel secondo capitolo, le macromolecole maggiormente presenti nella ECM (collagene/gelatina, elastina e acido ialuronico) vengono utilizzate per ottenere blend con diverse composizioni, e il loro processo di ES viene ottimizzato con lo scopo di produrre matrici elettrofilate con differenti composizioni che possono quindi mimare la ECM di diversi tessuti. L’utilizzo di un solvente non fluorurato, cioe l’acido formico, per la preparazione delle soluzioni risulta vantaggioso in quanto permette sia di diminuire la tossicita che il costo del processo, rispetto ai solventi comunemente utilizzati in letteratura per l’ES di biopolimeri (ad esempio l’esafluoroisopropanolo, HFIP, e il trifluoroetanolo, TFE). Infine, viene confrontata l’efficacia dei metodi di reticolazione piu comunemente utilizzati in letteratura per i polimeri naturali, utilizzando come parametri la morfologia della matrice dopo la reticolazione e la sua stabilita in ambiente acquoso. Il terzo Capitolo riguarda l’ES di fibrinogeno, proteina che ha fisiologicamente un ruolo importante nella formazione dei coaguli e nella rigenerazione dei tessuti, e di blend di fibrinogeno e gelatina. Per la prima volta, il fibrinogeno viene elettrofilato utilizzando come solvente una miscela di acido formico e acetico, invece dell’HFIP solitamente utilizzato. Tuttavia, durante il processo di ES si assiste alla gelificazione della soluzione alla punta dello spinneret; questo fenomeno compromette la stabilita e la continuita del processo. Poiche non e stato possibile risolvere questo problema, una soluzione alternativa e quella di elettrofilare un blend di fibrinogeno e gelatina. Inoltre, il fenomeno di gelificazione della soluzione viene investigato piu in dettaglio, e in particolare l’effetto del pH acido sulla struttura molecolare del fibrinogeno viene esaminato utilizzando metodi sperimentali e computazionali, che dimostrano come il solvente utilizzato per l’ES del fibrinogeno ne causi la denaturazione. Nel Capitolo 4 viene utilizzata una tecnica derivata dall’ES tradizionale, chiamata ES co-assiale; le fibre cosi ottenute hanno una struttura core-shell e vengono qui studiate per la cura delle ferite. In particolare, gelatina e acido ialuronico costituiscono i materiali rispettivamente delle fasi core e shell; inoltre, una molecola chiamata CCG-203971, in grado di inibire il differenziamento dei fibroblasti in miofibroblasti, responsabili dell’eccessiva formazione di tessuto cicatriziale durante la guarigione delle ferite, viene caricata nella fase core delle fibre. Le membrane elettrofilate cosi prodotte sono reticolate tramite vapori di glutaraldeide, e viene investigata l’influenza di diverse durate del processo di reticolazione sulla struttura chimica della matrice. Infine, test in vitro di rilascio della molecola e test cellulari vengono condotti per valutare l’efficacia delle membrane elettrofilate per l’applicazione desiderata.