Modeling of an in vitro testing device for simulating tubular biological tissue manipulation

During the last years, the demand for transplants has grown vertiginously, unmatched by the availability of donors, indispensable for such procedure. Indeed, new solutions to the problem have been investigated by a huge number of groups all over the world, meeting the characteristics of tissue engineering and, more recently, of 3D printing. Indeed, the development of tissue engineering has offered an alternative to the widely used traditional organs and prostheses transplant techniques in order to restore the functionalities of an unhealthy tissue. The main aim of this discipline is the creation of a vital construct able to adapt, grow and regenerate once implanted. The innovative idea is to develop the construct starting from the cells of the patients. In this discipline, the three fundamental key elements are the cells, the scaffold and the bioreactor. The cells are the smallest element of life and, according to their type and source, they have more or less capability to form new cells and mature in one or more particular phenotypes: for this reason, it is crucial to select the most suitable for each tissue engineering application. The scaffold is the structure which has the function to host and furnish to the cells the right tridimensional environment for them to multiplicate and spread; the material, the texture and the shape are aspects that must be tuned by the tissue engineer. Finally, the bioreactor is the dynamic system which stimulates and conditions correctly the artificial tissue, keeping it sterile and controlled, while allowing a higher nutrient and gas diffusion with respect to the traditional bidimensional static culture. This thesis is focused on one of the aspects of this topic, that is the development, through the means of 3D printing, of the dynamic system able to host certain engineered constructs and to meet the requirements for their growth and maturation, according to their shape and properties. In addition to this, the design of a 3D-printed hollow, tubular construct will also be presented, specifically designed for the regeneration of the trachea. In this way, it will be possible to provide an example of the suitable scaffold for the developed bioreactor. In the first part of this thesis and in the introduction chapter a brief description of tissue engineering approaches will be given, followed by cues about the anatomy of the main organs that will be discussed. Following, the state of the art and the innovations brought by 3D-printed bioreactors for these applications will be listed and discussed, along with the issues and limitations that have been met in the last few years. In the materials and methods chapter, the evolution and the steps which led to the development of the final bioreactor for tubular constructs will be explained, pointing out the reasons behind the crucial choices for its design. This will be followed by the description of an ideal scaffold suitable for the bioreactor, particularly thought for the regeneration and study of the trachea. In the discussion and conclusion chapters, different experiments performed on the developed system will be presented, discussing about their outcomes and the occurred difficulties. Finally, possible future developments of this study will be listed and briefly explained.

Durante gli ultimi anni, la richiesta per i trapianti è cresciuta vertiginosamente, non equiparata dalla disponibilità di donatori, indispensabili per tale procedura. Infatti, nuove soluzioni per il problema sono state oggetto di ricerca per un gran numero di gruppi in tutto il mondo, incontrando le caratteristiche dell’ingegneria dei tessuti e, più di recente, della stampa 3D. Infatti, lo sviluppo dell’ingegneria dei tessuti ha offerto un’alternativa alle tradizionali e largamente utilizzate tecniche di trapianto di organi e protesi col fine di ripristinare le funzionalità di un tessuto non sano. Il principale obiettivo di questa disciplina è la creazione di un costrutto vitale, partendo dalle cellule del paziente, capaci di adattarsi, crescere e rigenerarsi una volta impiantate. In questa disciplina, i tre elementi chiave fondamentali sono le cellule, lo scaffold e il bioreattore. Le cellule sono l’elemento più piccolo della vita e, a seconda del loro tipo e sorgente, hanno più o meno capacità di formare nuove cellule e maturare in uno o più particolari fenotipi: per questa ragione, selezionare il più adatto per ogni applicazione dell’ingegneria dei tessuti è cruciale. Lo scaffold è la struttura che ha la funzione di ospitare e fornire alle cellule il giusto ambiente tridimensionale per la loro moltiplicazione e diffusione; il materiale, la texture e la forma sono aspetti che devono essere modificati dall’ingegnere dei tessuti. Infine, il bioreattore è il sistema dinamico che stimola e condiziona correttamente il tessuto artificiale, tenendolo sterile e controllato, mentre permette una diffusione dei nutrienti e dei gas migliorata rispetto alla tradizionale coltura statica. Questa tesi è incentrata su uno degli aspetti di questo argomento, ossia lo sviluppo del sistema dinamico capace di ospitare certi costrutti ingegnerizzati e di rispettare i requisiti per la loro crescita e maturazione, a seconda della loro forma e proprietà. In aggiunta a ciò, il design di un costrutto tubulare cavo, da stampare in 3D, verrà presentati, specificatamente progettato per la rigenerazione della trachea. In tal modo, sarà possibile fornire un esempio di uno scaffold adatto al bioreattore sviluppato. All’inizio e nel paragrafo introduttivo, una breve descrizione degli approcci dell’ingegneria dei tessuti sarà presentata, seguita da dettagli riguardo l’anatomia dei principali organi che verranno trattati. In seguito, lo stato dell’arte e le innovazioni portate dai bioreattori stampati in 3D per queste applicazioni verranno elencati e discussi, insieme ai problemi che sono stati incontrati negli ultimi anni. Nel capitolo di materiali e metodi, l’evoluzione e i passi che hanno condotto allo sviluppo del bioreattore finale per costrutti tubulati saranno spiegati, evidenziando le ragioni dietro le scelte cruciali per il suo design. Questo sarà seguito da una descrizione dei dettagli per uno scaffold ideale adatto al bioreattore, particolarmente pensato per la rigenerazione e lo studio della trachea. Nei capitoli della discussione e conclusioni saranno presentati diversi esperimenti fatti sul sistema sviluppato, discutendo riguardo i loro risultati e le difficoltà incontrate. Infine, possibili sviluppi futuri per questo studio saranno elencati e spiegati brevemente.