Sviluppo e caratterizzazione di biomateriali a base di gelatina, pectina e grafene per la biostampa di modelli tissutali in vitro

In recent decades, the advent of new regenerative approaches in the biomedical field has led to the development of a series of new technologies and methodologies to enable the fabrication of patient-specific constructs with structural properties at the micro and macro-scale suitable for tissue engineering applications. In particular, 3D bioprinting has emerged as a new and promising approach for the realization of complex anatomical constructs, thanks to its ability to reproduce, with a high level of accuracy and repeatability, elaborate composite structures through the spatial deposition of biomaterials and/or cells layer-by-layer. Despite these promising prospects, the current range of 3D printable biomaterials is still significantly limited. In this thesis work, a new biomaterial based on gelatin, pectin, and graphene is proposed to expand the current range of biomaterials available for 3D bioprinting. Three different percentages of graphene were considered to be included within the same polymeric matrix, consisting of gelatin and pectin. The three proposed biomaterial formulations, containing respectively 0.3%, 0.9%, and 1.2% graphene, were compared and evaluated against a material composed solely of gelatin and pectin, which was taken as control. The decision to incorporate graphene arises from the intention of leveraging its excellent intrinsic properties to enhance the mechanical and electrical performances of polymeric materials such as gelatin and pectin. This would allow the creation of improved and advanced platforms for the regeneration of functional electroactive tissues, such as neural, muscular, or cardiac tissue, as well as for the use of electrical stimulation therapies that promote bone and skin regeneration. To ensure that the proposed material met the requirements for application in tissue engineering, studies were conducted to characterize its electrical and mechanical behaviour, along with an assessment of structural stability and swelling behavior in a physiological-like environment. Additionally, contact angle measurements were conducted to assess wettability and thus predict the material's behaviour in terms of biocompatibility towards cells or biological fluids. Subsequently, as proof-of-concept of its applicability, the material was employed for the 3D bioprinting of tissue-like structures with a carefully designed layout to meet the requirements of specific applications in the field of tissue engineering.

L'emergere, negli ultimi decenni, di nuovi approcci rigenerativi in campo biomedico ha portato allo sviluppo di una serie di nuove tecnologie e metodologie che hanno consentito la fabbricazione di costrutti paziente-specifici con proprieta strutturali nella micro e macro-scala adatte ad applicazioni di ingegneria tissutale. La biostampa 3D, in particolare, è emersa come un nuovo e promettente approccio per la realizzazione di costrutti anatomici complessi, grazie alla sua capacità di riprodurre, con un elevato livello di accuratezza e ripetibilità, strutture elaborate composite attraverso la deposizione strato dopo strato di biomateriali e/o eventualmente cellule. Nonostante le prospettive promettenti, la gamma di biomateriali stampabili in 3D è ad oggi ancora notevolmente limitata. In questo lavoro di tesi viene proposto un nuovo biomateriale a base di gelatina, pectina e grafene, con lo scopo di ampliare l’attuale proposta di biomateriali utilizzabili per la biostampa 3D. Sono state prese in considerazione tre percentuali diverse di grafene da introdurre all’interno della stessa matrice polimerica, costituita da gelatina e pectina. Le tre formulazioni di biomateriale proposte, contenenti rispettivamente lo 0.3%, 0.9% e 1.2% di grafene, sono state messe a confronto e valutate rispetto a un materiale di sola gelatina e pectina, che è stato usato come controllo. La scelta di introdurre il grafene nasce dall’intento di sfruttare le sue eccellenti proprietà intrinseche per apportare miglioramenti meccanici ed elettrici alle performance di materiali polimerici come la gelatina e la pectina. Ciò consentirebbe di creare piattaforme potenziate per la rigenerazione di tessuti elettroattivi funzionali, come quello neurale, muscolare o cardiaco, ma anche per l’impiego di terapie di stimolazione elettrica che favoriscano la rigenerazione ossea e cutanea. Per verificare che il materiale proposto possedesse i requisiti necessari per l’applicazione in tissue engineering, sono stati condotti degli studi per la caratterizzazione del suo comportamento elettrico e meccanico ed è stata eseguita una valutazione della stabilità strutturale e del comportamento di swelling in un ambiente simile a quello fisiologico. Inoltre, sono state condotte delle misurazioni dell’angolo di contatto, per valutare la bagnabilità e dunque prevedere il comportamento del materiale in termini di biocompatibilità nei confronti di cellule o fluidi biologici. In seguito, come proof-of-concept della sua applicabilità, il materiale è stato impiegato per la stampa di alcune strutture tissutali dal design accuratamente progettato per soddisfare i requisiti di specifiche applicazioni nel campo dell'ingegneria tissutale.