Pianificazione* LaboratorioIngegneria Tissutale* · Laboratorio!IngegneriaTissutale!1!!Ottobre!2015!!!!!pag.!!2!! 1.!INTRODUZIONE, Il! presente! documento! riporta sinteticamente!alcune!

Laboratorio Ingegneria Tissutale -‐ Ottobre 2015 pag. 1

Pianificazione Laboratorio Ingegneria Tissutale

Patrizia Dell’Era

Antonio Fiorentino

Mauro Serpelloni


1. INTRODUZIONE Il presente documento riporta sinteticamente alcune indicazioni di progetto riguardo il laboratorio di ingegneria tissutale. Il documento è suddiviso in tre parti riguardanti l’attrezzatura, gli impianti e le spese di gestione. Così come si legge nel documento “2015 Avvio progetto strategico UniBS H&W 2.1 -‐ aprile 2015”, il riferimento per il laboratorio di ingegneria tissutale è quello di un approccio multidisciplinare che, partendo dalla sintesi e dallo sviluppo di nuove sostanze e nuovi materiali biocompatibili, definisce i parametri di progettazione e di fabbricazione dei supporti su cui coltivare cellule che, opportunamente stimolate, fisicamente, chimicamente e/o biologicamente, si potranno differenziare e organizzare in strutture tissutali. Il laboratorio sarà quindi in grado di valutare le caratteristiche fisiche (meccaniche ed elettriche), biomeccaniche del tessuto che si voglia replicare in laboratorio e gli aspetti biologici funzionali specifici del tessuto in oggetto. Lo scopo è quello di progettare, realizzare scaffold e di valutare l’interazione dei diversi tipi cellulari con i substrati ottenuti in modelli sperimentali in vitro e in vivo. Il laboratorio è pensato per unire le sinergie dei dipartimenti a carattere medico ed ingegneristico in un’ottica di collaborazione reciproca dove competenze e risorse vengono condivise.


2. ATTREZZATURA Il laboratorio richiede un finanziamento per l’acquisto dei macchinari e materiali che verranno impiegati per le varie attività. In particolare, per rendere attuabile la realizzazione di un laboratorio di ingegneria tissutale autonomo e funzionale per la realizzazione dei vari progetti garantendo la sicurezza dal punto di vista della manipolazione dei materiali chimici e biologici, è auspicabile l’acquisizione delle seguenti strumentazioni. In tabella sono riportati costi indicativi derivati da un preventivo riguardanti la strumentazione identificata. Tabella 1a. Elenco delle attrezzature caratterizzanti il laboratorio.

FUNZIONE HARDWARE e SOFTWARE Costo (k€) Produzione di scaffold biocompatibili/tessuti cellulari

Stampante 3D comprensiva di spese per corsi e seminari di formazione. 295 ÷ 550

Caratterizzazione meccanica di tessuti, scaffolds e strutture 3D

Digital Imaging Correlation (strumento ottico per misurare contorno, deformazioni, vibrazioni e tensione di molti materiali)

25 ÷ 45

Caratterizzazione cellulare Multielectrode array 51 TOTALE 370-‐645

Tabella 1b. Elenco delle attrezzature accessorie per l’allestimento del laboratorio.

FUNZIONE HARDWARE e SOFTWARE Costo (k€) Materiale vario Autoclave 2

Frigorifero 1 Cappa chimica + 2 filtri HEPA 9 Workstation per elaborazioni 2 Tavoli, armadi, sedie e cassettiere 2

TOTALE 16


La stampante 3D rappresenta una considerevole voce di spesa, indicativa dell’importanza di tale strumentazione. Nella definizione delle specifiche è emersa da un lato la difficoltà di identificare le caratteristiche che la stampante dovrà avere per soddisfare la maggior parte dei desiderata contenuti nel documento “2015 Avvio progetto strategico UniBS H&W 2.1 -‐ aprile 2015” e dall’altro la necessità di non sovrapporre le capacità della stampante con quella del laboratorio di prototipazione avanzata. Le tecnologie su cui si basano al momento diverse tipologie di stampanti 3D atte allo scopo sono molto eterogenee: formazione di aerosol, ad estrusione o basate sulla fotopolimerizzazione. Ogni stampante presenta caratteristiche differenti e prezzi che coprono un range esteso (da 200 k€ a 550 k€). In un’ottica di integrazione tra più laboratori e di eterogeneità, e tenuto conto che il laboratorio di prototipazione avanzata dovrebbe dotarsi di una stampante ad estrusione (nscrypt), si consiglia di valutare l’acquisto di una stampante con specifiche di funzionamento differenti rispetto alla precedente, privilegiando quindi stampanti ad aerosol o a fotopolimerizzazione. Si elencano le principali caratteristiche di stampanti 3D identificate e selezionate sulla base delle tecnologie sopra citate: 1. Aerosol Jet Systems (Optomec). Costo: 250 k€ -‐ 550 k€ La Optomec propone tre modelli di stampanti 3D che utilizzano la tecnica di focalizzazione aerodinamica per la stampa di vari materiali. Sono presenti sul mercato tre modelli: Aerosol Jet 200 del costo di circa 250 k€, Aerosol Jet 300 del costo di circa 330 k€ e Aerosol Jet 5X del costo di circa 550 k€. Sebbene questa famiglia di stampanti non rientri nella classificazione delle stampanti 3D, grazie alla tecnica dell’Aerosol Jet è possibile realizzare microsistemi 3D e strutture plastiche integrate con tracce elettroniche (MID), grazie alla varietà di materiali (anche sotto forma di nanoparticelle) che possono essere utilizzati. È una stampante ad alta risoluzione ed è possibile utilizzare dei moduli aggiuntivi per la prototipazione rapida. L’area di lavoro è 200mm x 300mm x 200mm, l’accuratezza di spostamento degli assi è pari a 10-‐25 micron. È possibile stampare materiali conduttivi, metallici e non, resistivi, polimerici, dielettrici, semiconduttori e adesivi, enzimi e proteine. 2. Stampante ad estrusione 3D RegenHU. Costo 205 k€ RegenHu presenta due modelli, la prima 3D Discovery che permette di creare modelli tridimensionali combinando fino a 4 biomateriali, cellule, ecc. dimensioni 580-‐540-‐570 mm e precisione +-‐10um. Area di lavoro 130x90x60 mm. La macchina ha 4 testine di stampa con range di viscosità fino a 10'000 mPaS. Ha una testina calda per l’estrusione e controllo di temperature fino a 80 °C. i materiali candidati sono biopolimeri, calcio, cellule, proteine, Hydrogels, collagene, poliesteri. Il secondo modello Biofactory permette di creare complesse strutture tissutali con morfologia simile a quella in vivo che meglio rispecchia l’ambiente naturale. 3. 3D-‐bioplotter ad estrusione Manifacture (EnvisionTec). Costo 200 k€ Questa stampante è uno strumento adatto per la prototipazione rapida per realizzare scaffold 3D


fisici usando una varietà di biomateriali. Il disegno 3D di queste strutture può essere ottenuto dalla modellizzazione di strutture note o dalla scansione dei pazienti. Questa stampante è progettata per essere impiegata in ambienti sterili sotto cappa a flusso laminare. I materiali sono sotto forma di paste viscose o liquidi contenuti in siringhe. La deposizione viene esercitando una pressione all’interno della siringa. È possibile utilizzare contemporaneamente 5 testine. Include dei sistemi sofisticati per il posizionamento degli assi e del piatto, utilizzando telecamere e sensori ottici. Il piano può essere riscaldato o raffreddato. Le dimensioni del dispositivo sono 97.6 cm x 62.3 cm x 77.3 cm, mentre il volume entro il quale si può stampare l’oggetto è pari a 15 cm x 15 cm x 14 cm. La risoluzione degli assi è 1 micron e lo spessore dello strato è di 100 micron (dipende dal materiale). La velocità di stampa dipende dalla precisione con cui si vuole ottenere l’oggetto e varia da 0.1 mm/s a 150 mm/s. E’ possibile stampare Hydroxyapatite, TCP, Titanium, Chitosan, Collagen, Alginate, Fibrin, PU, Silicone, Agar, Gelatine, PCL, PLGA, PLLA. 4. Stampante a fotopolimerizzazione Photonic GT 3D – Nanoscribe. Costo: 550 k€ Questa stampante può essere utilizzata per la fabbricazione tridimensionale di micro e nanostrutture realizzate con materiali fotosensibili. Funziona in modo molto simile a stereolitografia tradizionale (SLA o DLP) solo che utilizza micro-‐impulsi laser di pochi femtosecondi per curare i polimeri a livello nanoscopico. Risoluzione: dimensione del tratto laterale 3D 160 nm; Risoluzione laterale 2D 400 nm; Risoluzione verticale 1 micron. Dimensioni: 56 x 60 x 64 cm. Area stampa 10 x 10 x 10 cm. Limitazioni: materiali solo UV con limitata gamma di proprietà meccaniche (gamma non estensibile); inchiostri non personalizzabili; al momento non può essere utilizzata con cellule; i materiali biocompatibili sono limitati ma da pubblicazioni recenti può essere utilizzata per polimerizzazioni proteiche dirette. Per garantire il corretto funzionamento è necessario prevedere anche la progettazione e installazione di una camera bianca. Dalle informazioni e dai preventivi raccolti la stampante che meglio si adatterebbe alle richieste è la stampante Aerosol Jet 5X del costo di circa 550 k€, tuttavia l’acquisto supera il budget preventivato. La soluzione potrebbe essere l’acquisto del modello Aerosol Jet 200 o Aerosol Jet 300 in base anche agli accordi con l’azienda venditrice che permetterebbe di rimanere all’interno del budget preventivato perdendo però alcuni gradi di libertà. L’insieme dei client della Optomec include organismi di ricerca di ricerca governativi e industriali come General Electric, United Technologies, Boeing, Xerox, National Renewable Energy Laboratory (NREL), multiple Fraunhofer Institutes (IFAM, IKTS, ENAS, IWS, ISE), CEA LETI, IMEC, PeTeC, Sirris, NASA, Sandia National Laboratories, US Air Force, US Army and US Navy. In aggiunta le università e I centri di ricerca sono: Ohio State University, Washington University, Penn State University, SUNY, University of New South Wales (Australia), POSTECH (Korea), NCTU (Taiwan), Sinano (China), Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers (France), , CEA Liten (France), Innovation Lab (Germany) and the University of Sheffield (U.K.). Partner europei: Ceradrop, Semitronics. L’Università degli Studi di Brescia Potrebbe essere il primo ente di ricerca ad avere questa tecnologia, tramite la quale


sarebbe possibile fare quello che in gergo tecnico viene definito “addictive manufacturing”. La “Addictive manufacturing” (AM) è attualmente considerata come la tecnologia di produzione del futuro, essendo in grado di produrre oggetti 3D complessi direttamente da un modello digitale e affrontare l'uso ottimale delle risorse e dei materiali, ridurre i tempi di commercializzazione e ampliare le possibilità di personalizzazione. La tecnologia Aerosol Jet Printing (AJP) è una tecnica AM di recente sviluppo, permette alte risoluzioni (in piano e in spessore fino a 10 e 0,1 micron, rispettivamente) e la capacità di elaborare una vasta gamma di viscosità del materiale (da 1 a 1000 cP). AJP utilizza flussi di gas per nebulizzare il materiale di stampa e focalizzare attraverso la testina l’inchiostro sul substrato. L'obiettivo principale dell’acquisto è quello di sviluppare una piattaforma tecnologica per la stampa di biomateriali per l'ingegneria tissutale, come formulazioni idrogel. Particolare attenzione sarà adottata anche per estendere il controllo della temperatura durante tutto il flusso del processo per l'utilizzo ottimale di biomateriali sensibili alla temperatura. Studi biologici, come le valutazioni di adesione cellulare, di vitalità e di proliferazione, saranno eseguiti per testare la biocompatibilità dei materiali dopo il processo di stampa. Altre applicazioni di notevole importanza riguardano la realizzazione di sensori biochimici, microarray, deposizione e patterning di proteine, DNA, cellule e enzimi. Martin Hedges, Aaron Borras Marin, 3D Aerosol Jet® Printing -‐ Adding Electronics Functionality to RP/RM Originally presented at DDMC 2012 Conference, 14-‐15.3.12, Berlin Spanu, Lai, Cosseddu, Tedesco, Martinoia, Bonfiglio. An organic transistor-‐based system for reference-‐less electrophysiological monitoring of excitable cells. Sci Rep. 2015 Mar 6;5:8807. doi: 10.1038/srep08807. Ci riserviamo di dare indicazioni più precise in seguito a valutazioni visive operative di alcune di queste stampanti che effettueremo nei prossimi mesi. Nella tabella 2 sono invece riportate le attrezzature/strumentazioni già presenti all’interno dell’Ateneo che in prima analisi si stima potrebbero essere utili ed eventualmente rese disponibili per le attività progettuali del laboratorio. La lista delle attrezzature/strumenti riportate in tabella 2, non avendo la pretesa di essere esaustiva, potrebbe essere integrata nel momento in cui venissero identificate altre attrezzature o strumenti che possano essere resi disponibili. Avendo le attrezzature/strumenti riportati in tabella 2 caratteristiche di funzionamento e utilizzo specifiche si renderà necessario trattare le modalità di condivisione caso per caso relativamente ad aspetti quali:

• ubicazione, • responsabilità, • costi di utilizzo, • quote ripartizione conto terzi, • ecc.


Tabella 2 -‐ Attrezzature già presenti all'interno dell'Università degli Studi di Brescia.

FUNZIONE HARDWARE e SOFTWARE AFFERENZA Produzione di materiali polimerici per scaffolds

Reattori e attrezzature per reazioni chimiche convenzionali e per reazioni su fusi polimerici DIMI

Fabbricazione di Scaffolds

Electro-‐Spinning DIMI Fab@Home DIMI Elettro-‐Deposizione PoliMI

Caratterizzazione Meccanica

Bio@BeST -‐ Banco prova di trazione biassiale DIMI

Caratterizzazione chimico-‐fisica

Calorimetro Mettler DSC1 STAR DIMI

Spettrometro FTIR Jasco 5300 DIMI

Elaborazione Immagini Mediche

Slicers 3D DIMI

InVEsalius DIMI

Attrezzature per tecnologia a film spesso

Screen-‐printing machine Baccini A-‐2 DII RTC TF-‐310 thick-‐film furnace DII Ball mill Retsch S100 for screen-‐printable pastes DII

Realizzazione e caratterizzazione di microsistemi

Single wafer spin coater for manual dispense APT SPIN 150 DII Microdispenser for droplet ejection MicroFab Technologies MJ-‐AB-‐01-‐80 DII

Probing micropositioners Signatone S-‐725 DII

Caratterizzazione elettrica

Impedance and gain-‐phase analyzer Hewlett-‐Packard HP4194A DII

Spectrum analyzer Hewlett-‐Packard HP4195A DII Capacitance Meter Agilent Technologies E4981A DII

Climatic chamber Perani UC 150/40 DII

Osservazione cellulare e sub cellulare

Microscopia a fluorescenza DMMT Microscopia confocale DMMT


3. LOCALI ED IMPIANTI Per la possibile ubicazione del LTE è stato identificato uno spazio disponibile situato al piano terra del Centro Servizi Multisettoriale e Tecnologico (CSMT) che verrà condiviso con il Laboratorio di Prototipazione Avanzata (LPA). Nella figura sottostante è rappresentata la vista in pianta della struttura in cui è stato riquadrato in rosso lo spazio messo a disposizione in condivisione tra il LPA e il Laboratorio di Ingegneria Tissutale.

L’area potenzialmente è pari a circa 100mq (da ripartire tra LTE e LPA) e dovrà essere definita previa approvazione di un progetto che rispetti le norme di sicurezza. Lo stato generale dello spazio individuato necessità dell’installazione di un prefabbricato ad uso laboratorio essendo tale spazio totalmente aperto nell’attuale configurazione. Durante il sopralluogo, è stata valutata inoltre la possibilità di realizzare il soffitto del prefabbricato di tipologia calpestabile. Il leggero sovrapprezzo sarebbe giustificato dalla possibilità futura di poter realizzare, sopra i laboratori, delle zone adibite ad uffici, raddoppiando la superficie utilizzabile. Inoltre, per lo svolgimento delle attività del LTE ed il funzionamento delle attrezzature che verranno ubicate nel laboratorio, è necessario prevedere aggiornamenti e/o nuove istallazioni riguardante alcuni impianti. In particolare:

Ø Stampante 3D

LTE + LPA


− Impianto gas: azoto (circa 28 lpm) Ø Biosicurezza di contenimento 2 per la manipolazione di campioni biologici.

Comporta la necessità di ricavare uno spazio chiuso all’interno del laboratorio che abbia le seguenti caratteristiche: − Muri, soffitti e pavimenti devono essere lisci, impermeabili ai liquidi e resistenti

agli agenti chimici e ai disinfettanti. − Superfici dei banconi unite ai muri con sostanze sigillanti, resistenti agli agenti

chimici e ai disinfettanti e impermeabili all’acqua − Porta antincendio, deve chiudersi da sé ed avere pannelli di vetro ispezione. − Aerazione possibilmente meccanica che assicuri un flusso d’aria entrante senza

ricircolo. Se non esiste areazione meccanica le finestre devono essere apribili (v. Adeguamenti di carattere generale).

− Presenza di lavabi dotati di acqua corrente fredda con scarico in fogna (v. Adeguamenti di carattere generale).

− Disponibilità di un’autoclave nel laboratorio e nello stesso edificio − Impianto elettrico di emergenza. − Illuminazione di emergenza. − Docce di emergenza. − Presidi di pronto soccorso. − Dotazione per il lavaggio degli occhi.

Ø Adeguamenti di carattere generale. − Disponibilità di acqua corrente fredda con scarico in fogna (è stato ipotizzato di

partire da una linea attualmente presente nelle vicinanze, e per lo scarico utilizzare gli allacciamenti delle acque nere del bagno posizionato nel piano, alle spalle della zona individuata. Tale soluzione che non richiede lavori eccessivi di muratura)

− Vista la necessità di utilizzo di solventi, è prevista una cappa aspirante per la quale è necessario prevedere uno sbocco verso l’esterno senza necessità di trattamento fumi

− Impianto dell’aria compressa (è stata individuata una linea nelle vicinanze, pertanto non richiederà grossi lavori di installazione)

− Pannelli in cartongesso per divisorie (con LPA) − Illuminazione adeguata − Climatizzazione locali − rete elettrica (monofase, 220V 50Hz) sui banconi ed allacci alle attrezzature − rete Ethernet/Internet − Sistema antincendio

Non si escludono ulteriori possibilità di ubicare il LTE e le rispettive attrezzature in altri spazi, qualora si verifichino nuove disponibilità (ad oggi non pervenute) che siano ritenute compatibili con le necessità di cui sopra. Eventuali spese per nuovi allacciamenti ed impianti sono stati considerati a carico dell’Ateneo e

Laboratorio Ingegneria Tissutale -‐ Ottobre 2015 pag.

pertanto non considerate nel piano dei costi del progetto del LTE.


4. SPESE DI GESTIONE Le spese di gestione sono state divise in quattro voci principali: manutenzione, consumi, personale e affitto spazi. Le previsioni di spesa sono state fatte considerando che i costi e i prezzi rimangano invariati per i primi tre anni di attività. -‐Consumi I consumi di acqua, luce, impianto di condizionamento e pulizie locali da quanto è emerso dalle riunioni alla data odierna dovrebbero essere a carico del CSMT. I consumabili non dovrebbero rappresentare una spesa consistente e si ritiene possano essere acquistati in base alle esigenze specifiche dei progetti afferenti al laboratorio. -‐Personale Il personale che afferirà al laboratorio rappresenta una voce importante nella corretta dinamica funzionale. Da un lato, la mission di laboratorio interdipartimentale aperto a diverse utenze e operante su più progetti, e all’altro la presenza di strumentazione complessa a cui è richiesta una specifica competenza per il suo funzionamento, consigliano la presenza di un tecnico/assegnista di ricerca che possa essere dedicato alla gestione della strumentazione e delle richieste specifiche dei singoli progetti. Tale persona sarà da condividere con il laboratorio di prototipazione avanzata, sfruttando anche la vicinanza spaziale tra i due laboratori collocati attigui nell’edificio e nei locali del CSMT. La spesa di personale potrebbe quindi essere suddivisa nei due laboratori, il costo di un assegno di ricerca di due anni a carico del laboratorio è di circa 30 k€. -‐“Affitto” spazi Come da comunicazione non sono state contabilizzate come costo del laboratorio.

5. CONCLUSIONI In questo documento sono state riportate le proposte operative per la progettazione e la messa in funzione del laboratorio di Ingegneria tissutale. Le spese che possono essere contabilizzate nel primo anno di funzionamento del laboratorio dipenderanno fortemente dalla stampante 3D che verrà acquistata e saranno nell’ordine di 300-‐660 k€ a seconda dalla scelta tecnologica. Tale scelta verrà effettuata nei prossimi mesi poiché riteniamo estremamente importante valutare le effettive capacità delle macchine elencate. Per gli impianti che dovranno rispettare le disposizioni della normativa riguardante la biosicurezza di livello 2 si prevedere una spesa di circa 3 k€.


Per le spese di gestione prevediamo una spesa di personale con un costo iniziale di circa 15 k€, in condivisione con il laboratorio di prototipazione avanzata.

Tabella 3 – Riassunto delle Voci di costo a carico del Laboratorio.

Investimenti Iniziali Costo (k€)

Attrezzature Caratterizzanti 370-‐645

Attrezzature Accessorie 16

TOTALE 386-‐661

Costi per la gestione base Costo (k€/anno)

Materiale di consumo 2

Personale Assegnista 15

TOTALE 17

Brescia 09/10/2015 f.to Patrizia Dellera, Antonio Fiorentino, Mauro Serpelloni

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