Scale-up di un dispositivo per la produzione di piastrine in vitro

In the current medical landscape, the shortage of platelets for transfusions poses a critical challenge, with millions of annual requests both in Europe and the United States. How- ever, the numerical insufficiency of donors and associated complications, such as sepsis and immune reactions, exert a constant pressure on patient health. A promising solution is the introduction of in vitro platelet production, which could meet the growing demand. In Italy, Balducci and collegues have developed a three-dimensional bioengineered system for the ex vivo production of platelets. This Italian model stands out for its use of silk in scaffold construction, facilitating platelet production through megakaryocytes. Despite the promising outcomes concerning platelet functionality, the quantity obtained remains inadequate for efficacious clinical application. Thus, this thesis endeavors to refine the Italian model to enhance in vitro platelet production, aiming to achieve a count near- ing 1011, the requisite quantity for a single transfusion. Hence, the primary objective of this thesis is the scaled-up dimensioning of the physical model. The enlargement of the scaffold was carried out to increase the seeding capacity of megakaryocytes. Therefore, it is necessary to ensure a uniform perfusion of the scaffold surface to effectively stimulate all megakaryocytes and maximize the model’s capacity to produce platelets. During the sizing of the silk scaffold, manufacturing limitations and the need for achieving a uniform distribution of seeded megakaryocytes were taken into account. Additionally, the con- straint on the maximum thickness, set at 2 cm, was considered to facilitate the exit of platelets once detached from the megakaryocytes. Modifications to the model geometry and the addition of components were guided by computational results. The total geometry was implemented via CAD modeling. Computational results, obtained using the ANSYS Fluent software, guided changes to the model geometry and the addition of integrative components, including convergent and divergent structures, the upstream scaffold filter, and the downstream support grid. This optimizes the perfusion process.

Nell’attuale panorama medico, la carenza di piastrine per le trasfusioni è una sfida critica, con milioni di richieste annuali sia in Europa che negli Stati Uniti. Tuttavia, l’insufficienza numerica di donatori e le complicanze associate, come sepsi e reazioni immunitarie, im- pongono una pressione costante sulla salute dei pazienti. Una soluzione promettente è l’introduzione della produzione in vitro di piastrine, che potrebbe soddisfare la crescente domanda. In Italia, Balducci e i suoi colleghi hanno sviluppato un sistema bioingegner- izzato tridimensionale per la produzione ex vivo di piastrine. Questo modello italiano si distingue per l’utilizzo della seta nella costruzione dello scaffold, facilitando la produzione di piastrine attraverso i megacariociti. Nonostante i loro risultati promettenti sulla fun- zionalità delle piastrine, la quantità ottenuta risulta insufficiente per un’applicazione clin- ica efficace. Pertanto, questa tesi si propone di ottimizzare il modello italiano al fine di aumentare la produzione di piastrine in vitro, mirando a ottenere un numero di piastrine prossimo a 1011, quantità necessaria per una singola trasfusione. L’obiettivo principale di questo progetto risulta lo scale-up del modello fisico. L’ingrandimento dello scaffold è stato eseguito al fine di aumentare la capacità di semina dei megacariociti. Perciò bisogna assicurare una perfusione uniforme della superficie dello scaffold, per stimolare efficace- mente tutti i megacariociti e massimizzare la capacità del modello di produrre piastrine. Durante il sizing dello scaffold di seta, sono state considerate limitazioni di fabbricazione e la necessità di ottenere una distribuzione uniforme dei megacariociti seminati. Inoltre, si è tenuto conto del vincolo sullo spessore massimo, fissato a 2 cm per agevolare il raggiung- imento dell’uscita delle piastrine una volta staccate dai megacariociti. L’intera geometria è stata implementata attraverso modellazione CAD. I risultati computazionali, ottenuti con il software ANSYS Fluent, hanno guidato le modifiche della geometria del modello e l’aggiunta di componenti integrative, come le strutture convergenti e divergenti, il filtro a monte dello scaffold e la griglia di sostegno a valle. Ciò ottimizza il processo di perfusione.