Materiali per “Soft Tissue”: Polimeri di Origine Naturale · 2019. 6. 18. · Polimeri di Origine Naturale: Produzione La maggior parte dei polimeri naturali viene estratta da

Master di II Livello in Biomateriali“Biomateriali: dalla progettazione all’applicazione clinica”

Universita’ degli Studi di Siena - Facolta’ di FarmaciaC.R.I.S.M.A. e Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche e dei Biosistemi

22 Novembre 2008

Materiali per “Soft Tissue”: Polimeri di Origine Naturale

Federica ChielliniLaboratorio di Materiali Polimerici Bioattivi per

Applicazioni Biomediche ed Ambientali (BIOlab) -UdR INSTM- Dipartimento di Chimica e Chimica

Industriale, Universita’ di Pisa

F. Chiellini22 Novembre 2008

Master in Biomateriali

Soft Tissue: definizione

Il termine Soft tissues o tessuti molli indicasostanzialmente tutto cio’ che ha una densita’ diversadall’osso.

Tessuto Connettivo (intersiziale o di sostegno)

Tessuto muscolare

Tessuto nervoso

Tessuto adiposo

Vasi sanguigni

Fluidi sinoviali



Matrice Extracellulare (ECM)

La matrice extracellulare e’ l’elemento strutturale ditutti I tessuti molli ed e’ prodotta e secreta dalle cellule (es. fibroblasti)



Funzioni della Matrice Extracellulare

Supporto meccanico per l’ancoraggio delle cellule

Controllo dell’orientazione cellulare

Controllo della crescita cellulare

Controllo del differenziamento cellulare

Supporto per la rigenerazione dei tessuti

Sviluppo microambiente tissutale (sequestra,

immagazina e fornisce molecole regolatorie solubili)



Forma e composizione diversa a seconda dei tessuti



Composizione della Matrice Extracellulare (ECM)

Componente Amorfa:

Proteoglicani [Proteine + Glicosamminoglicani

(GAG)], Acido Ialuronico, Glicoproteine

(fibronectina, condronectina etc.)

Soluti

Acqua

Componente Fibrillare:

Fibre - Collagene, Elastina



Composizione della Matrice Extracellulare



Componente Amorfa Della ECM















Componente Fibrosa Della ECM




Fibre collageneFibre collagene

Sono strutture costituite da singole unitSono strutture costituite da singole unitàà definite definite fibrillefibrille (spesse circa 800(spesse circa 800--1000 A ) che formano 1000 A ) che formano

un fascio che forma la fibra.un fascio che forma la fibra.

Le fibrille di collagene sono disposte Le fibrille di collagene sono disposte parallelamente fra di loro a formare lunghi fasciparallelamente fra di loro a formare lunghi fasci




Fascio di fibre collagene

Fibrille










Le cellule del connettivo sintetizzano diversi tipi di collageneLe cellule del connettivo sintetizzano diversi tipi di collagene. . Alcuni di essi sono definiti come:Alcuni di essi sono definiti come:

Collagene di tipo I (tendini, osso, dentina, cemento)Collagene di tipo I (tendini, osso, dentina, cemento)

Collagene di tipo II (cartilagine)Collagene di tipo II (cartilagine)

Collagene di tipo III (fegato, milza, pelle, polmoni)Collagene di tipo III (fegato, milza, pelle, polmoni)

Collagene di tipo IV (lamina basale)Collagene di tipo IV (lamina basale)

Collagene di tipo V (tendine, derma, placenta, osso)Collagene di tipo V (tendine, derma, placenta, osso)

Collagene di tipo VII (giunzioni del derma e epidermide)Collagene di tipo VII (giunzioni del derma e epidermide)



Fibre elasticheFibre elasticheFormano strutture lunghe che si fondono (al Formano strutture lunghe che si fondono (al contrario delle collagene che non si fondono), contrario delle collagene che non si fondono),

formando delle membrane elastiche nella formando delle membrane elastiche nella parete delle arterie. parete delle arterie.

Sono costituite da una porzione amorfa che Sono costituite da una porzione amorfa che tiene assieme la parte fibrillare formata dalla tiene assieme la parte fibrillare formata dalla

proteina proteina elastinaelastina..





Elastina


















Ingegneria dei Tessuti (Tissue Engineering)












Interazioni Cellule-Substrato



Requisiti dei Materiali per Ingegneria Tissutale



Polimeri di Origine Naturale

I polimeri di origine naturale sono largamente utilizzati nel campo dell’ingegneriatissutale/medicina rigenerativa grazie a:

Somiglianza con la ECM

Versatilita’ chimica

Buone proprieta’ biologiche



Polimeri di Origine Naturale:Classificazione

Proteine

Polisaccaridi

Poliesteri

Gli organismi viventi sono in grado disintetizzare una vasta gamma di polimeri chevengono classificati in base alla lorostruttura chimica in:



Polimeri di Origine Naturale: Produzione

La maggior parte dei polimeri naturali vieneestratta da piante, animali e alghe.

I progressi delle biotecnologie hanno resopossibile la produzione di polimeri naturalimediante:

Fermentazione di micro-organismi

Sintesi enzimatica in vitro.



PROTEINE

Materiali per “Soft Tissue”: Polimeri di Origine Naturale



Polimeri di Origine Naturale: Proteine

Collagene

Gelatina

Fibroina della Seta

Fibrina



Collagene come Biomateriale

Il collagene rappresenta la maggiorecomponente proteica della matriceextracellulare dove esercita azione di supportoa tessuti connettivi quali:PelleTendiniOsso e cartilagineVasi sanguigniLegamenti

Ad oggi sono stati identificati 27 tipi di collagene, ma quello di Tipo I, il piu’ abbondante, e’ quello piu’ usatocome biomateriale.



Collagene di Tipo I



Caratteristiche del Collagene: Vantaggi

Buone proprieta’ meccaniche

Buona biocompatibilita’

Ridotta antigenicita’

Suscettibile di reticolazione

Degradazione e rigonfiamento in ambiente fisiologico



Isolato dai tessuti animali - potenziale contaminazioneda prioni o virus

Produzione di proteine ricombinanti - alti costi

Grado di degradazione di difficile controllo:Penetrazione delle cellule nella struttura causa contrazioneCollagenasi, gelatinasi ed altre proteinasi in grado di degradarlo

Difficile da sterilizzare:Qualsiasi processo di sterilizzazione determina una qualche alterazioneDella struttura del collagene.

Caratteristiche del Collagene: Svantaggi



Applicazioni del Collagene in Ingegneria Tissutale




Apligraf: la prima pelle bio-ingegnerizzata approvata dall’FDA (1998)

Doppio strato di gel di collagene seminato con fibroblasti umani (parte inferiore) e cheratinociti umani (parte superiore)

Organogenesis




inFUSE Bone Grafts: spugne di collagene usate come carrier per fattori di crescita osteoinduttivi (BMP-2)

Degenerative Disc Diseases

Trauma

Oral-Facial Surgery

Medtronic




Collagraft: idrossiapatite e fosfato tricalcico immersi in spugnedi collagene di tipo I.Usato Per Il Trattamento Delle Fratture Delle Ossa Lunghe. (Angiotech Pharmaceuticals)

Healos Bone Graft: fibre di collagene reticolato ricoperte con idrossiapatite.Usato Per Il Trattamento delle fusioni spinali. (DePuyOrthopaedics)

Biomend: membrana di collagene usata per la rigenerazionedel tessuto parodontale. (Integra LifeSciences)



Gelatina

Polimero naturale derivato dal collagene mediante trattamento di denaturazione in condizioni acide o basiche. Contiene un altro numero di amminoacidi quali glicina, prolina e 4-idrossiprolina.Le diverse condizioni di trattamento del collagene portano ad avere gelatina con puntiisolelettrici diversi. Le gelatine piu’ comunemente prodotte sono quelle basiche (PI 9.0) e acide (PI 5.0).Nella gelatina basica la % di gruppi ammidici idrolizzati a gruppi carbossilici e’del 25 % in piu’ rispetto a quella acida



Applicazioni della Gelatina nell’Ingegneria Tissutale



Prodotti Commerciali a base di Gelatina per applicazionibiomediche

Gelfoam (Pfizer): spugna digelatina sterile e purificatautilizzata come emostaticoGelfilm (Pfizer): film di gelatinautilizzata come impianto in neurochirurgia e chirurgiatoracica e oculare

Surgifoam (Ethicon inc. ): disco poroso di gelatina per applicazioni dentali

CultiSpher-G (Percell BiolyticaAB): microcarrier di gelatinamacroporosa per colturecellulari



Fibroina della Seta

La seta prodotta dal Bombyx mori (baco da seta) per formare ilbozzolo e’ costituita da due componenti proteiche principali, la fibroina e la serina. La prima e’ una proteina fibrosa che costituisce ilcore della seta, mentre la serina e’ una proteina glue-like checirconda la fibroina.



La fibroina e’ una proteina fatta da β-foglietti antiparalleli ricchi dialanina e glicina. E’ un interessante biomateriali per l’ingegneria tissutale in quantee’ compatibile, degradabile ( seppur lentamente) e mostraeccellenti proprieta’ meccaniche.

Fibroina della Seta



Applicazioni Biomediche della Fibroina

La fibroina puo’ essere utilizzata nella produzione di scaffolds per l’ingegneria tissutale sotto forma di fibre, idrogeli, spugne etc.



Proliferazione di preosteoblasti MC3T3

Scaffolds Porosi a base di Fibroina



Scaffolds Fibrosi a base di Fibroina



Scaffolds di Fibroina prodotti mediante Elettrofilatura



Fibronectin coated FibroinEndothelial cells (HUVEC)

Scaffolds di Fibroina prodotti mediante Elettrofilatura



Fibrina

Coagulo di fibrina

La fibrina si ottiene dal fibrinogeno che puo’essere preso direttamente dal paziente, pertanto e’ immunocompatibile.

Costituisce una matrice temporanea cheviene sostituita dalla ECM.



Colla di Fibrina

Agente emostatico usato comunemente in chirurgia da oltre venti anni

I diversi prodotti commerciali differiscono per la concentrazione di fibrinogeno(proprieta’ meccaniche) e trombina (velocita’ di formazione del coagulo).Comunemente le colle commerciali contengono componenti anti-fibrinolitici(aprotina) che inibiscono l’attivita’ della tripsina e plasmina umana che degradano il coagulo.



Fibrina nell’Ingegneria Tissutale

Le applicazioni della fibrina in ingegneria tissutale possono essereclassificate in tre gruppi principali:

Fibrina come matrice cellulare,

Fibrina in combinazione con scaffold polimerici

Sistema per il rilascio di fattori di crescita o principi attivi.



Sistema Iniettabile per il Veicolamentodi cellule mesenchimali.

In questi sistemi le cellule vengonorisospese nella fibrina prima della suapolimerizzazione.



Miofibroblasti venosi umani sono stati caricati in gel di fibrina e quindi seminatisugli scaffold di polimeri sintetici. Questo tipo di semina cellulare facilital’introduzione delle cellule nello scaffold tridimensionale favorendo la formazionedi neotessuto.



Cellule progenitrici endoteliali cresciute su scaffold dipoliuretano/fibrina

Scaffold polimerico sintetico ricoperto con fibrina permette l’adesione ed il differenziamento di cellule progenitrici endoteliali

CB

fibrin 14 daysfibrin 7daysVWF

Von Willebrandt Factor is a soluble proteic factor which mediates platelet adhesion and aggregation also acting as factor VIII “carrier”.

VE-Cadherin

Intercellular adhesion molecule expressed by vascular endothelial cells.



Scaffold porosi di PLLA vengono riempiti con Fibrina contenente condrociti

PLLA

PLLA/Fibrina



Fibrina per il Rilascio di Fattori di Crescita

I gel di fibrina sono usati per il rilascio di fattori di crescita,citochine o altre molecole bioattive in grado di controllare l’adesione, la proliferazione, la migrazione ed il differenziamento cellulare e la produzione di matrice extracellulare

Molti fattori di crescita sono in grado di legarsi con la fibrina, in particolare il bFGF ed il VEGF.

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