Study of bacterial colonization on biliary stents : from microfluidics to physiological parameters

This project consists in a multi-perspective study on biofilm formation on biliary stents at different scales, from micro to macro. It has been realized with the collaboration of the laboratory of Applied Biophysics and Microfluidics at Humanitas Research Hospital of Milan. Biofilms are among the most relevant complications after the insertion of biliary stents, and their resistance to antibiotics leads to a very difficult, if not impossible, eradication. This project aims to inspect the different characteristics of the currently available stents, in terms of geometry, material and, especially, internal surface configuration. After an initial comparison on stents’ samples, the work moves forward a further study on bacterial attachment on specific type of surfaces, analyzing the influence of a micro-pattern on the surface; this is accomplished by directly studying the evolution of biofilm under a microscope, both with channels of physiological dimensions and exploiting microfluidic channels. All these approaches reveal an actual impact of the micro-pattern, which determines not only the quantity of bacteria attached to the surface, but most importantly a different dynamic of colonization, in terms of both spatial and temporal evolution of biofilm. This project lays the groundwork for further studies in the dynamic of bacterial colonization: designing a stent with the proper engineering properties could prevent and inhibit biofilm formation, which is safer and more cost-effective than treating an already established biofilm.

Questo progetto si basa sullo studio della formazione di biofilm negli stent delle vie biliari a diverse scale, dal micro al macro. È stato realizzato grazie alla collaborazione con il laboratorio Applied Biophysics and Microfluidics dell’Istituto di Ricerca Humanitas Research Hospital di Milano. La formazione di biofilm è tra le più severe complicanze che possono insorgere dall’inserimento di uno stent biliare e la sua conseguente resistenza agli antibiotici porta a una difficile, se non impossibile, eliminazione. Questo progetto intende analizzare le diverse caratteristiche dei principali tipi di stent attualmente in uso, in termini di geometria, materiale e, in particolare, di configurazione della superficie interna. A seguito di un preliminare confronto utilizzando dei campioni di stent, il lavoro si concentra sullo studio dell’attaccamento batterico in relazione allo specifico tipo di superficie, analizzando nello specifico l’influenza di una microstruttura; questo avviene studiando direttamente la formazione di biofilm al microscopio, sia in canali di dimensioni fisiologiche sia sfruttando canali microfluidici. Tutti gli approcci utilizzati hanno rivelato un effettivo impatto della microstruttura, che ha determinato non solo la quantità di batteri attaccati alla superficie, ma soprattutto la dinamica di colonizzazione, in termini di distribuzione di biofilm sia temporale che spaziale. Questo progetto pone le basi per un successivo studio della dinamica di colonizzazione di diversi tipi di superfici: progettare uno stent con le appropriate caratteristiche ingegneristiche è fondamentale nella prevenzione e inibizione della formazione di biofilm, aspetti cruciali per abbattere i costi clinici e rischi associati al trattamento di un biofilm già radicato.