Matrici elettrofilate di chitosano funzionalizzato con gruppi carbossilici per l'ingegneria tissutale

Musculoskeletal disorders have an important impact on people's health status and the lifestyle they may lead. In recent decades, regenerative medicine and tissue engineering are calling scientists to grapple with new challenges in designing prosthetic structures to facilitate the repair of damaged tissues and organs. To facilitate bone regeneration, the technique that is most frequently used is one that uses biocompatible scaffolds. These grafts are three-dimensional structures that can be produced using a variety of methods, such as electrospinning, which uses electrostatic forces to produce polymer fibers that roll up resulting in the desired structure. Regardless of the technique used, it is imperative that the engineered scaffolds meet basic requirements such as biocompatibility, biodegradability, and adequate porosity that can ensure cell proliferation, gas and nutrient transport, and achievement of capillarization in vivo. Tissue engineering, in order to achieve scaffolds with these properties, is embracing biomaterials science to build biomedical devices and implants that can interface well with biological systems. To this end, one of the most widely used biomaterials for tissue regeneration is chitosan: a readily available natural polymer used as a scaffold for bone tissue growth because it is a biocompatible, biodegradable, nontoxic material with antimicrobial activity and osteoinductive capacity. In this thesis work, chitosan was functionalized with carboxyl groups in order to obtain fibrous matrices with negative charges that can facilitate proliferation in the scaffold of osteoclasts and osteoblasts, positively charged cells. In order to achieve optimal tissue regeneration, in addition to the pure healthy chitosan matrix used as a control matrix, functionalized chitosan matrices with carboxyl groups and layer-by-layer matrices of functionalized chitosan and pure chitosan were made, on which cytocompatibility tests were then performed. Indeed, it was possible to verify, by scanning electron microscope (SEM) and biological assays in comparison with the control matrix, not only the performing structure of these new scaffolds but also their excellent results in terms of proliferation, calcium deposition and gene expression of human osteoblasts.

Le patologie muscolo-scheletriche hanno un importante impatto sullo stato di salute delle persone e sullo stile di vita che quest’ultime possono condurre. Negli ultimi decenni la medicina rigenerativa e l’ingegneria tissutale chiamano gli scienziati a misurarsi con nuove sfide per la progettazione di strutture protesiche al fine di favorire la riparazione di tessuti e organi danneggiati. Per facilitare la rigenerazione ossea, la tecnica che viene usata più di frequente è quella che utilizza scaffold biocompatibili. Questi innesti sono delle strutture tridimensionali che possono essere prodotte utilizzando diversi metodi, come l’elettrospinning, che sfrutta forze elettrostatiche per produrre fibre polimeriche che si arrotolano dando luogo alla struttura desiderata. Indipendentemente dalla tecnica utilizzata è indispensabile che gli scaffold progettati soddisfino dei requisiti fondamentali come la biocompatibilità, la biodegradabilità e un’adeguata porosità che possa garantire la proliferazione cellulare, il trasporto di gas e nutrienti e la raggiunta della capillarizzazione in vivo. L’ingegneria dei tessuti, al fine di ottenere scaffold con queste proprietà, sta abbracciando la scienza dei biomateriali per costruire dispositivi e impianti biomedici che possano interfacciarsi bene con i sistemi biologici. A tal fine, uno dei biomateriali più adoperati per la rigenerazione dei tessuti è il chitosano: un polimero naturale di facile reperibilità, utilizzato come scaffold per la crescita di tessuto osseo in quanto materiale biocompatibile, biodegradabile, non tossico, dotato di attività antimicrobica e capacità osteoinduttiva. In questo lavoro di tesi il chitosano è stato funzionalizzato con gruppi carbossilici al fine di ottenere matrici fibrose con cariche negative che possano facilitare la proliferazione nello scaffold degli osteoclasti e osteoblasti, cellule cariche positivamente. Al fine di ottenere una rigenerazione tissutale ottimale, oltre alla matrice di chito sano puro utilizzata come matrice di controllo, sono state realizzate matrici di chitosano funzionalizzato con gruppi carbossilici e matrici layer by layer di chitosano funzionalizzato e chitosano puro, sulle quali sono stati poi effettuati i test di citocompatibilità. Si è potuto infatti verificare, tramite il microscopio elettronico a scansione (SEM) e i saggi biologici nel confronto con la matrice di controllo, non solo la struttura performante di questi nuovi scaffold ma anche i loro eccellenti risultati in termini di proliferazione, deposizione di calcio ed espressione genica di osteoblasti umani.