Riprogettazione di un bioreattore con sistema di attuazione plurifunzionale per la generazione di tessuto ingegnerizzato

In order to reach a correct in vitro regeneration of cartilaginous constructs it’s compulsory to condition cells both with biochemical and physical stimulus. In this context it is important to cultivate a number of parallel constructs subjected to different stimuli (high-throughput). To meet this need we developed a bioreactor that allows the simultaneous cultivation of several samples, up to 18, and that stimulates them both with interstitial perfusion and with hydrostatic pressure. The device here presented has only electrical implementation, thereby solving the dimensional problem resulting from the use of peristaltic pumps; the piston performs both the function of pressurizing the medium and the motion during bidirectional perfusion. The direction of perfusion and isolation of the oxygenating circuit are obtained through a special valve motorized. The system allows to reach pressures up to 15MPa with a frequency of 1 Hz, similar to the walk’s one. The entire bioreactor results to be compact and therefore, to reduce the time of the trial, it is possible to use more than one in parallel inside the incubator. In case the required pressure stimulus is lower than the project, it is possible to associate the camera to linear actuators that provide a minor boost, this will further reduce the footprint of the system. Dimensional analysis were performed to evaluate both the static and the fatigue resistance of the device, the actuation system has been dimensioned; special attention was paid to the selection of commercial components required for implementation. The device is in prototype stage at a precision workshop.

Per una corretta rigenerazione in vitro di costrutti cartilaginei è fondamentale stimolare adeguatamente le cellule, sia dal punto di vista biochimico che fisico. In questo contesto è importante poter coltivare in parallelo numerosi costrutti sottoponendoli a stimolazioni differenti (High-troughput). Per rispondere a questa esigenza è stato sviluppato un bioreattore che consente la coltura simultanea di numerosi campioni, fino a 18, e che li stimola sia con perfusione interstiziale sia pressione idrostatica. Il dispositivo presentato è dotato della sola attuazione elettrica, eliminando così gli ingombri derivanti dall’utilizzo di pompe peristaltiche; il pistone assolve sia la funzione di pressurizzare il medium sia quella di movimentarlo durante la perfusione bidirezionale. La direzionalità della perfusione e l’isolamento del circuito ossigenante sono ottenuti mediante un apposito rubinetto motorizzato. Il sistema consente di raggiungere pressioni fino a 15MPa con frequenza di 1Hz, assimilabile a quella del cammino. Il bioreattore nel suo complesso risulta compatto, si può quindi prevedere di utilizzarne più di uno in parallelo all’interno dell’incubatore per ridurre i tempi della sperimentazione. In caso si desiderasse stimolare i costrutti con pressioni inferiori a quella di progetto è possibile associare la camera ad attuatori lineari che forniscono una spinta minore, in questo modo si riduce ulteriormente l’ingombro del sistema. Sono state effettuate analisi dimensionali per valutare sia la resistenza statica sia quella a fatica del dispositivo, è stato dimensionato il sistema di attuazione; particolare attenzione è stata dedicata alla scelta dei componenti commerciali richiesti per la realizzazione. Il dispositivo è in fase di prototipazione presso un officina meccanica di precisione.