Design of a novel bioreactor for cartilage tissue engineering

Cartilage is an avascular, aneural and alimphatic connective tissue with low regeneration potential. To address this challenge in regenerative medicine and obtain high quality engineered cartilage, a novel bioreactor was developed to en hance the differentiation of chondroprogenitors in chondrocytes, by providing me chanical stimulation. The design included some key developmental decisions like selecting the appropriate mechanical stimulus, choosing suitable materials and de termining an effective fabrication method. The final bioreactor applies compressive forces controlled by displacement, to mimic physiological conditions, promoting cell differentiation and cartilage matrix production. In parallel experiment compared static and dynamic culture conditions, testing different scaffold materials such as collagen, fibrin and simple spheroids. Results indicated that static culture conditions with chondrogenic media supported cell viability and differentiation, while dynamic conditions did not. Furthermore, other cell culture parameters were explored, including scaffold dimensions, cell density and culture time. It was also investigated the capability of spheroids to fuse and reorganize in one large construct, with the prospect of creating bigger, unified cartilage constructs. Finally the prototype of the bioreactor demonstrated to work as expected mechanically and to maintain sterility and viability of the cells. Further optimization and refining of the bioreactor are needed to enhance the quality of engineered cartilage tissue

La cartilagine è un tessuto connetivo aneurale, avascolare e alinfatico con un basso potenziale rigenerativo. Per risolvere questa sfida nella medicina rigenerativa e ottenere un tessuto cartilagineo di alta qualità è stato sviluppato un bioreattore per migliorare la differenziazione di cellule condroprogenitrici in condrociti, attraverso uno stimolo meccanico. Il design del bioreattore ha incluso alcune scelte di progettazione fondamentali come la selezione dello stimolo meccanico appropriato, la scelta di materiali appropriati e la determinazione di un metodo di fabbricazione efficiente. Il bioreattore finale applica una forza di compressione controllata attraverso uno spostamento lineare, per ricreare le condizioni fisiologiche a cui il tessuto è sottoposto, promuovendo la differenziazione cellulare e la produzione di matrice extracellulare. In parallelo sono stati effettuati degli es perimenti che comparassero la coltura statica con quella dinamica, testando diversi materiali di scaffold come collagene, fibrina, ma anche semplici sferoidi. I risultati hanno dimostrato che le condizioni di coltura statiche con mezzo di coltura condrogenico supportano sia la vitalità cellulare che la differenziazione negli sferoidi, al contrario della coltura dinamica. Inoltre, sono stati esplorati altri parametri di coltura cellulare come la dimen sione degli scaffold, la densità cellulare e il tempo di coltura. È stata anche indagata la capacità degli sferoidi di fondersi e riorganizzarsi in un unico costrutto di dimensioni maggiori, con la prospettiva di riuscire a ingeg nerizzare porzioni di tessuto cartilagineo più grandi. In conclusione il prototipo del bioreattore ha dimostrato di funzionare nel modo corretto meccanicamente e di mantenere sia la sterilità che la vitalità cellulare. Saranno necessarie ulteriori ottimizzazioni e miglioramenti del design per migliorare le qualità del tessuto cartilagineo ingegnerizzato.