Next generation bone scaffolds for regenerative medicine

Bone disorders represent nowadays a tremendous burden in terms of healthcare resources, exacerbated by an aging and increasingly numerous global population. Bone normally regenerates itself through the action of specific cells nestled in its tissue: osteoblasts, osteoclasts and osteocytes. However, when dealing with too extensive size defects or in the case of crippling illnesses, this mechanism is insufficient. In these circumstances, surgical intervention is required, and graft material is implanted to restore bone functionality. Autografting still represents the gold standard in surgical applications, though being related to some drawbacks, such as the scarce availability and a high associated morbidity, that hinder its use. From here the necessity of developing engineered scaffolds, suitable to replace the autologous graft. In the realm of regenerative medicine, both allograft materials, from human donors, and xenograft materials ,of animal origin, are heavily researched. The primary downside of these approaches is the potential for pathology transmission (such as retroviruses), which makes it necessary to first treat the bone material with chemicals or other methods. The grafts can be produced directly in solid form, as cubes or chips, or finely grinded and merged with a polymeric gel carrier, to facilitate the surgical delivery. Ideal graft material exhibits high osteoconductive, osteoinductive and osteogenetic performances, that are strictly dependent on the specific features of the scaffold, both morphological and physiochemical. In addition, adequate mechanical properties are required to withstand post-transplant loading conditions. The aim of this thesis is to verify the effectiveness of a novel chemical treatment for the production of a xenographic scaffold from cow bone, along with its characterization through morphological, physiochemical and mechanical analysis. Its performances are benchmarked against different commercialized allographic and xenographic products. Micro-computed tomography (micro-CT), scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) methodology, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDSX), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric analysis (TGA) and standardized compression tests are the main analytical tools used for the scope.

I disturbi ossei rappresentano un enorme onere in termini di risorse sanitarie, aggravato dall'invecchiamento di una popolazione mondiale sempre più numerosa. L'osso, in condizioni normali, si rigenera attraverso l'azione di specifiche cellule annidate nel suo tessuto: osteoblasti, osteoclasti e osteociti. Questo meccanismo, però, non è sufficiente quando ci si trova di fronte a lesioni di dimensioni troppo estese, o in caso di patologie debilitanti. In questi casi, diventa necessario l'intervento chirurgico e il ripristino del funzionamento osseo attraverso l'impianto di materiale da innesto. L'autotrapianto rappresenta ancora il riferimento in applicazioni chirurgiche, nonostante presenti alcuni svantaggi, come la scarsa disponibilità e un’alta morbilità associata, che ne ostacolano l'utilizzo. Da qui la necessità di sviluppare impalcature ingegnerizzate, atte a sostituire l'innesto autologo. Nel campo della medicina rigenerativa sia i materiali xenotrapiantati, di origine animale, che quelli allotrapiantati, provenienti da donatori umani, sono ampiamente investigati. Il principale svantaggio di queste alternative è la possibilità di trasmettere patologie (come i retrovirus), così da richiedere un trattamento preliminare del materiale osseo, attraverso sostanze chimiche o altre tecniche. Gli innesti possono essere prodotti direttamente in forma solida, come cubetti o scaglie, oppure finemente macinati e fusi con un supporto polimerico in gel, per facilitarne la somministrazione chirurgica. Un materiale da innesto ideale presenta elevate prestazioni osteoconduttive, osteoinduttive e osteogenetiche, strettamente dipendenti dalle caratteristiche dell’impalcatura ossea, sia morfologiche che fisiochimiche. Oltretutto, adeguate proprietà meccaniche sono richieste per resistere alle condizioni di carico post trapianto. L'obiettivo di questa tesi è verificare l'efficacia di un nuovo trattamento chimico per la produzione di un’impalcatura xenografica, tratta da osso di mucca, oltre che la sua caratterizzazione attraverso analisi morfologiche, fisiochimiche e meccaniche. Le sue prestazioni sono confrontate con quelle di diversi prodotti allografici e xenografici commercializzati. I principali strumenti di analisi utilizzati sono la tomografia microcomputerizzata (micro-CT), il microscopio elettronico a scansione (SEM), il microscopio elettronico a trasmissione (TEM), la metodologia di analisi Brunauer-Emmett-Teller (BET), la spettroscopia infrarossa tramite trasformata di Fourier (FTIR), la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDSX), la diffrazione di raggi X (XRD), l'analisi termogravimetrica (TGA) e test di compressione standardizzati.