Biopolimeri e dispositivi per l'incapsulamento cellulare in microfibre di idrogelo tramite wet-spinning

Today, partial or total loss of the functionality of one or more organs is one of the major causes of death and hospitalization. Transplantation is the traditional therapy for the treatment of organs’ functional failure and offers critically ill patients the possibility of improving their quality of life. However, this approach has been bounded by low availability of healthy organs to supply the demand and by the complications of immunosuppressive therapies, that can lead to rejection of the implanted tissue. Regenerative medicine has progressed in this area with the aim of overcoming the disadvantages of current transplantation by using soluble molecules, gene therapy, stem cell transplantation, reprogramming of cell and tissue engineering (TE) approaches. The latter technique allows the production of patches that mimic different tissues by integrating cells within an acellular matrix, the scaffold. The development of three-dimensional (3D) fibrous networks as platforms for TE applications has been attracting considerable attention. Among several scaffolding options, hydrogel microfibers are particularly interesting for engineering high-cell-density 3D constructs. In which cells are embedded into the structure during its fabrication. Also, they provide an open porous structure, which encourages homogeneous diffusion of oxygen and nutrients throughout the entire structure, therefore enhancing cell survival and tissue growth. Fibre-based techniques have emerged as a promising approach for in vitro fabrication of 3D, macroscopic and spatially organized tissue constructs, obtained both with synthetic and natural materials. This work, focuses (i) on the possibility for fabricating natural hydrogel-based microfibres patches, by exploiting the just introduced wet-spinning techniques. Particular attention is paid to the key parameters for its achievement. Additionally, (ii) possible setup-modification are investigated: on the one side, to improve the circuit which exploits the ionotropic reticulation, and on the other, to adapt the patch production to thermal gelation and photo-crosslinking procedures.

La perdita della funzionalità di uno o più organi rappresenta una delle maggiori cause di morte e ospedalizzazione. Il trapianto è la terapia tradizionale per la cura del fallimento funzionale di un organo e offre a pazienti critici la possibilità di un miglioramento della qualità della vita. Tuttavia, questo approccio è stato vincolato dalla scarsa disponibilità di organi adeguati a soddisfare la domanda esistente e dalle complicazioni delle terapie immunosoppressive che possono condurre ad un rigetto del tessuto impiantato. In questo ambito si è sviluppata la medicina rigenerativa, con l’intento di ovviare agli svantaggi degli attuali trapianti tramite l'uso di molecole solubili, terapia genica, trapianto di cellule staminali, riprogrammazione di tipi di cellule e tessuti, e ingegneria tissutale. Quest’ultima tecnica permette la produzione di patch che mimano differenti tessuti integrando cellule all’interno di una matrice acellulare, lo scaffold. Lo sviluppo di strutture fibrose tridimensionali (3D) come piattaforme per applicazioni di ingegneria dei tessuti ha attirato notevole attenzione. Tra le varie opzioni per la realizzazione degli scaffold, le microfibre di idrogeli sono particolarmente interessanti per la progettazione di costrutti 3D ad elevata densità cellulare, in cui le cellule vengono incapsulate all’interno della struttura durante la sua produzione. Infatti, questi forniscono un microambiente altamente idratato, insieme ad una struttura porosa aperta che favorisce la diffusione omogenea di ossigeno e nutrienti in tutta la struttura, migliorando la sopravvivenza delle cellule e la crescita dei tessuti. Tecniche basate sulla produzione di fibre sono emerse come un promettente approccio per la realizzazione in vitro di costrutti tissutali 3D, macroscopici e spazialmente organizzati, ottenuti sia con materiali sintetici che naturali. Questo lavoro si è focalizzato (i) sulle ragioni che fanno presumere il possibile utilizzo di alcuni idrogeli naturali per la fabbricazione di patch microfibrosi con cellule incapsulate tramite il sistema di wet-spinning, soffermandosi sui parametri chiave che ne permetterebbero l’ottenimento, e (ii) sulle modifiche da apportare al sistema di wet-spinning per migliore il circuito che sfrutta la reticolazione ionotropica e per adattare la produzione di patch a metodi di gelazione termica e photo-crosslinking.