Contract number: NMP4-CT-2006-033277
New Bio-ceramization processes applied to vegetable hierarchical structures
IL PROGETTO TEM-PLANT
Coordinatore: Anna Tampieri, ISTEC-CNR
EC Funding: 2.600.000 EUR
TEM-PLANT è un esempio di come un’idea e un approccio
scientifico non convenzionali possono essere portati a
compimento e sviluppati in un prodotto con potenzialità di
mercato per rispondere a necessità ancora senza soluzioni
accettabili.
L’ottenimento di un finanziamento europeo è già di per sé un grandissimo successo, data la forte competizione esistente.
Perchè TEM-PLANT si può considerare un «caso di successo»?
In spite of the recent advances in materials science and tissue engineering towards new solution for bone regeneration, disorders affecting long, load-bearing bone segments are still a major concern, also due to several serious complications.
LARGE COMMINUTED FRACTURES
Nonunions
Malunions
Infections
Pseudoarthrosis
Repeated, painful and expensive surgical procedures
Loss of limb functionality
Limb amputation
BISOGNO CLINICO NON RISOLTO: RIGENERAZIONE DI OSSA LUNGHE A SEGUITO DI FRATTURE COMPLESSE E COMMINUTE
The hierarchical structure of bone allows a proper distribution of the macroscopic biomechanical stimuli down to the cell level
Scaffolds mimicking the hierarchical structure of bone may activate mechano-transduction processes and favour bone remodeling into textured and functional tissue with high mechanical performance
(TENSEGRITY MODEL)
L’OSSO UMANO: UN TESSUTO DALLA MORFOLOGIA COMPLESSA GERARCHICAMENTE ORGANIZZATA
BONE
LIGAMENT
The current manufacturing technologies are far from being able to produce hierarchically organized structures mimicking bone tissue.
L’ISPIRAZIONE: LA NATURA GENERA STRUTTURE DALLE PROPRIETA’ INCREDIBILI CON UN CONTROLLO MULTI-SCALA
To transform woods into bone-mimicking scaffolds
with hierarchically organized morphology
L’IDEA: TRASFORMARE LEGNI NATURALI IN IMPIANTI OSSEI
ISTEC-CNR (I) Processi di
trasformazione biomorfica per impianti
ossei e ligamentosi
ISTEC-CNR (I) COORDINAMENTO
PROGETTO
LABORATOIRE D’EVALUATON DES MATERIELS
IMPLANTABLES (F) Test cellulari in vitro
FINCERAMICA S.p.A. (I) Commercializzazione
ISTITUTI ORTOPEDICI RIZZOLI (I) Sperimentazione in vivo
TECHNICAL UNIVERSITY OF EINDHOVEN (NL)
Caratterizzazione ultrastrutturale
LULEÅ UNIVERSITY OF TECHNOLOGY (SE)
Processo di polimeri naturali
WOOD K PLUS (A) Scienze botaniche
UNIVERSIDAD DE SEVILLA (S)
Processi di trasformazione biomorfica per impianti
ossei
IL CONSORZIO UNIVERSITY OF ERLANGEN-
NUERNBERG (D) Processi di trasformazione
biomorfica
SIPO
RATTAN
LUFFA Front view
Transversal view
OVERALL POROSITY : 76 %
40 % Large pores ( = 150 22 m)
60 % Small pores ( = 7 3 m)
OVERALL POROSITY : 85 %
58 % Large pores ( = 250 40 m)
15 % Medium pores ( = 12 4 m)
27 % Small pores ( = 4 1 m)
Cortical-like
Spongy-like
Spongy-like
BONE-MIMICKING WOOD STRUCTURES
OVERALL POROSITY : > 90 %
65 % Large pores ( = 550 100 m)
25 % Medium pores ( = 20 4 m)
10 % Small pores ( = 3 1 m)
Bone
Volkmann’s canal
osteon
interstitial lamellae
Rattan wood
metaphloem
protophloem metaxylem
200 m
SELECTION OF THE NATURAL SOURCES FOR REPRODUCING SPONGY BONE
Vegetable species are selected on the basis of the relevant criteria for bone substitutes: - Hierarchical and anisotropic structure - Microstructural properties (pore size and pore distribution, pore interconnection)
CERAMISATION PROCESS OF NATIVE WOOD
1) PYROLYSIS Wood Carbon
2) CARBURISATION Carbon CaC2
3) OXIDATION CaC2 CaO
5) PHOSPHATIZATION CaCO3 Hydroxyapatite
4) CARBONATION CaO CaCO3
Transformation of the natural wood template and preserving its initial
morphology
Slow thermal treatment at 1000 °C in Ar atmosphere
Reaction of Carbon with gaseous Calcium
at 1650 °C in Ar atmosphere
Oxidation in air at 1000 °C
Carbonation in furnace or autoclave under CO2 pressure
Phosphatization at room conditions in a PO4-rich solution.
Tampieri A, Sprio S, Ruffini A, Celotti G, Lesci IG, Roveri N. From Wood to Bone: multi step-process to convert wood hierarchical structures into biomimetic hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering. J Mater Chem 2009; 19 (28): 4973-4980.
START
Wood Carbon
BIOMORPHIC TRANSFORMATION OF RATTAN
Carbon CaC2
CaC2
CaO
CaCO3
GOAL
CaCO3 Carbonated HA
Control of the reaction kinetics to achieve phase transformation and
to maintain the original wood morphology
Il progetto TEM-PLANT si è concluso con la realizzazione di impianti ossei biomimetici derivati dalla trasformazione di legni
naturali.
Al di là del successo di stampo puramente scientifico, i nuovi impianti hanno mostrato caratteristiche che li rendono molto promettenti per applicazioni biomedicali di grande impatto
ancora senza soluzioni accettabili, incontrando il parere favorevole del comparto clinico.
Evoluzione della storia: dopo la ricerca
Partecipazione a Start-Cup Il Sole 24ore: dalla scienza all’idea di business
Corsi di imprenditoria (Bio-business)
Coscienza di una realtà più ampia della semplice ricerca scientifica, legata a ciò che avviene «dopo» la ricerca
A new company?
Nella scrittura del progetto: Rispondere ad un bisogno (di carattere sociale, tecnologico, applicativo, etc…) ben definito e di impatto sulla società
Sviluppare bene idea principale e concept del progetto
Identificazione approccio scientifico credibile e convincente, scandito da opportuni milestones
Partendo da una base solida di background knowledge puntare a risultati che possono estendersi anche «far beyond the state of the art» ma affiancati da contingency plans convincenti
RIASSUNTO: ALCUNI SPUNTI
Entusiasmo e determinazione durante la scrittura del proposal (attività molto faticosa e time-consuming a fronte di una fortissima competizione internazionale e una bassa percentuale di successo)
Costruzione di un consorzio forte, multi-nazionale, in cui tutti i partecipanti abbiano un ruolo definito e non ridondante
I progetti europei sono, probabilmente, tra i migliori strumenti a disposizione per: Fare ricerca innovativa di qualità
Conquistare finanziamenti che contribuiscono anche alla crescita,
numerica e professionale, dei gruppi di ricerca
Espandere il proprio partenariato internazionale
Migliorare la visione generale della propria ricerca in contesti più ampi, specie in caso di settori fortemente interdisciplinari e in caso di coordinamento del progetto
CONCLUSIONI: Perché applicare per progetti europei