BIOMATERIALI E MATERIALI SINTETICI BIOCOMPATIBILI

Crediti: 
15
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2018/2019
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Obiettivo del Corso è far si che gli studenti acquisiscano conoscenza e comprensione approfondita sulle basi biologiche del tessuto cartilagineo articolare in termini di condrogenesi e differenziamento, aspetti cellulari e molecolari in corso di patologia, basi cellulari e molecolari dei processi rigenerativi/riparativi con particolare enfasi sui modelli in vitro alla base dello studio delle terapie cellulari e della valutazione di biomateriali biocompatibili nell’ingegneria tissutale. Lo studente acquisirà, come risultato dell'apprendimento, la capacità di applicare conoscenza e comprensione nello studio della medicina rigenerativa/riparativa della cartilagine articolare e capacità di approfondire ed utilizzare in maniera autonoma i modelli cellulari, le tecniche biotecnologiche e di biomateriali biocompatibili, di valutare criticamente le informazioni della letteratura scientifica e di acquisire, con l'attività di laboratorio, le competenze necessarie per l’allestimento di colture di cellule primarie di condrociti articolari in sistemi tridimensionali per la valutazione della biocompatibilità e delle caratteristiche condro-induttive di film e di scaffold di biomateriali. Il corso ha inoltre l’obiettivo di consentire allo studente di conoscere e di comprendere gli aspetti biomeccanici dell’apparato scheletrico, la dinamica di deposizione e del rimodellamento osseo, la standardizzazione di protocolli sperimentali e le metodologie per la valutazione dell’osteointegrazione, i concetti dell’ingegneria tissutale e della nanomedicina. Lo studente dovrà dimostrare di aver compreso le conoscenze comunicate relative ai vari argomenti trattati durante le lezioni teoriche e teorico-pratiche e di saperle applicare nella standardizzazione e nella verifica metodologica di piani sperimentali per la valutazione della biocompatibilità di materiali endossei da utilizzarsi principalmente in campo ortopedico e odontoiatrico. Lo studente dovrà conoscere le basi anatomo-istologiche ed i principi base della biocompatibilità in ambito osteocondrogenico per comprendere il rationale alla base della scelta dei modelli sperimentali in vitro ed in vivo, intesi sia come modelli di studio che di sviluppo per applicazioni innovative. Inoltre dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite per identificare il modello sperimentale più idoneo per una data applicazione sperimentale e, sviluppando il proprio senso critico, di identificare vantaggi e limitazioni riscontrate nella scelta di un modello sperimentale. Lo studente dovrà essere in grado, con adeguata proprietà di linguaggio, di esprimere le concettualità scientifiche apprese e di comprendere ed interpretare articoli scientifici di settore.
Infine, il corso ha come obiettivo quello di fornire le conoscenze fondamentali della natura chimica delle sostanze polimeriche, sia naturali che sintetiche, e del loro comportamento in soluzione o a contatto con i fluidi biologici. Ulteriore obiettivo formativo é quello di fornire le basi per la progettazione di strutture polimeriche tridimensionali per la crescita cellulare e il rilascio controllato di sostanze. Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di applicare le conoscenze acquisite alla progettazione e realizzazione di strutture polimeriche, costituite da polimeri naturali o sintetici, per la realizzazione di scaffold tridimensionali, o film, destinati al rilascio controllato di sostanze e in grado di fungere da supporto per la crescita cellulare. Lo studente acquisirà inoltre, la capacità di studiare le cinetiche di rilascio di sostanze ad attività biologica da scaffold/matrici polimerici al fine di ottimizzare la quantità di farmaco liberata nel corso del tempo.

Contenuti dell'insegnamento

In generale, i contenuti del Corso Integrato riguardano i concetti biologici ed i modelli in vitro and vivo per lo studio della biocompatibilità, le tecniche ed i biomateriali utilizzate per la riparazione/rigenerazione dell’osso e della cartilagine con, inoltre una trattazione dettagliata sulla chimica dei biomateriali sintetici e naturali utilizzati anche in altri campi biologici. Nello specifico, il contenuto dei vari insegnamenti è:
1) Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibilità in vivo e in vitro. Mod.A
Il contenuto principale è " Modelli in vitro per lo studio della condrogenesi, della patologia e della riparazione della cartilagine articolare" con trattazione degli aspetti e meccanismi cellulari e molecolari della condrogenesi, della patologia degenerativa e della risposta rigenerativa/riparativa del tessuto, con particolare riferimento ai modelli in vitro, biomateriali ed applicazioni biotecnologiche finalizzate alla rigenerazione della cartilagine articolare. Nella teoria, sono trattati gli argomenti generali riguardanti la condrogenesi, la biologia e fisiologia delle articolazioni sinoviali e della cartilagine articolare e la fisiopatologia della cartilagine articolare relativamente alla patogenesi della patologia degenerativa e discondroplasica; in una seconda parte, sono trattati i modelli in vitro di biocompatibilità, i biomateriali e le basi biologiche delle applicazioni biotecnologiche per la rigenerazione della cartilagine articolare: concetti sul differenziamento condrocitario e sui modelli cellulari (condrociti differenziati e cellule staminali) utilizzati nell’ambito delle tecniche biotecnologiche innovative per la rigenerazione del tessuto (ingegneria tissutale, biomateriali biocompatibili e sistemi per l’induzione della condrogenesi). La parte pratica riguarda la gestione in vitro di colture di condrociti isolati da cartilagine articolare.
2) Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibilità in vivo e in vitro. Mod.B
Il contenuto delle lezioni toriche verte sull’approfondimento delle conoscenze dell’apparato locomotore, il suo sviluppo embrionale, le caratteristiche morfologiche e biodinamiche e le particolarità di specie. Si affronta poi la classificazione e la trattazione dei biomateriali impiegati in campo ortopedico ed odontoiatrico e le strategie biotecnologiche per la produzione di materiali biomimetici. Ulteriormente vengono approfondite le conoscenze sul tessuto osseo e di diversi modelli sperimentali in vivo ed in vitro atti alla valutazione della colonizzazione, risposta osteogenica, osteointegrazione e riasssorbimento. Verranno descritti inoltre i concetti di ingegneria tissutale, medicina sostitutiva, rigenerativa e nanomedicina. La parte pratica del corso verterà sulle metodologie di allestimento ed analisi microscopica dei preparati istologici contenenti impianti.
3) Prodotti medicinali per terapie avanzate
I contenuti del corso sono riconducibili all’apprendimento della chimica dei polimeri naturali e sintetici impiegabili nelle applicazioni biomediche ed in particolare nella realizzazione di strutture tridimensionali biocompatibili. Il corso fornisce anche conoscenze teoriche sui meccanismi di rilascio di sostanze ad attività biologica da sistemi polimerici a matrice.

Programma esteso

1) "Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibilità in vivo e in vitro. Mod.A"
BIOLOGIA E PATOLOGIA DEL TESSUTO CARTILAGINEO ARTICOLARE. La condrogenesi: aspetti molecolari del differenziamento condrogenico in vitro ed in vivo: espressione genica ed influenza di fattori di crescita. Regolazione molecolare della condrogenesi - Struttura e Funzione delle articolazioni sinoviali - Biologia della cartilagine articolare: organizzazione microscopica, composizione molecolare, funzione e metabolismo. Il condrocita ed il suo ruolo nella patologia e nelle riparazione. - Fisiopatologia della cartilagine articolare: aspetti macroscopici, microscopici e patogenetici della patologia degenerativa e discondroplasica della cartilagine articolare (l’osteoartrite e l’osteocondrosi).
MODELLI IN VITRO DI BIOCOMPATIBILITA’ PER LA CONDROGENESI E LA RIGENERAZIONE DELLA CARTILAGINE ARTICOLARE . - La riparazione/rigenerazione della cartilagine articolare: modelli di studio in vitro e in vivo: - Problematiche e prospettive, cenni sulle molecole condroprotettive; - Modelli in vitro di biocompatibilità e tecniche cellulari per la rigenerazione/riparazione della cartilagine: i condrociti differenziati e le cellule staminali mesenchimali, il trapianto cellulare, il differenziamento e lo sdifferenziamento del condrocita e l’induzione della condrogenesi; - Applicazioni biotecnologiche innovative: concetti di ingegneria tissutale, biomateriali, principi di biocompatibilità, di condro-conduzione e sistemi per la condro-induzione.
ATTIVITA’ PRATICA 1) Isolamento e coltura primaria di condrociti articolari; 2) Modelli colturali per la condrogenesi ed il mantenimento del differenziamento condrocitario in vitro (sistemi bi- e tridimensionali) e per la valutazione della biocompatibilità di biomateriali.
2) "Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibilità in vivo e in vitro. Mod. B"
PARTE TEORICA
Apparato locomotore: organogenesi, caratteri generali, particolarità di specie, ed aspetti biodinamici: Osteologia – Artrologia – Miologia. Componenti costitutivi del tessuto osseo. Istogenesi del tessuto osseo. Markers differenziativi e pathways di deposizione e rimodellamento osseo. Fondamentali di morfologia e struttura delle ossa, dinamiche di deposizione e rimodellamento dell'ossificazione pre e post embrionale. Biomateriali endossei in campo ortopedico ed odontoiatrico: Storia e Definizioni, Concetti di classificazione. Biomateriali di prima, seconda e terza generazione. Fenomeni biologici che avvengono all'interfaccia osso-impianto. Strategie di funzionalizzazione implantare: fisiche, chimiche e biochimiche per promuovere l'osteoingrazione impiantare.
Definizione di Ingegneria Tissutale; medicina sostitutiva e rigenerativa; componenti costitutivi di un sistema di ingegneria tissutale, scelta dei modelli cellulari ed animali per la valutazione sperimentale.
Nanomedicina; classificazione ed applicazioni terapeutiche e diagnostiche.
Modelli sperimentali colturali per la valutazione della risposta cellulare in vitro. Sviluppo in vitro di matrici e tessuti, bioreattori e stimoli fisico-chimici.
Modelli sperimentali in vivo per la valutazione della risposta tissutale. Modelli e design sperimentale, siti e tipologie di impianto. Concetti di legislazione.
Metodologie per la valutazione dell’osteointegrazione: utilizzo dei marcatori ossei vitali, analisi micro CT, anali
PARTE PRATICA
Apparato locomotore: riconoscimento ed isolamento dei muscoli, segmenti ossei e componenti articolari..
Tecniche di allestimento dei preparati istologici; inclusion in paraffina ed in resina. Microtomia e Colorazioni istologiche. Osservazione dei preparati al microscopio a luce ordinaria, polarizzata e a fluorescenza; Concetti di elaborazione d’immagine digitale computerizzata.
3) "Prodotti medicinali per terapie avanzate"
• Definizione e classificazione dei polimeri.
• Polimeri lineari e reticolati, metodi di polimerizzazione e reticolazione.
• Peso molecolare e sua determinazione.
• Stato solido dei polimeri, struttura cristallina e amorfa.
• Stato vetroso e stato gommoso, temperatura di transizione.
• Polimeri in soluzione.
• Polimeri naturali e sintetici impiegati in campo biomedico.
• Strutturazione tridimensionale di scaffold polimerici.
• Modificazioni chimiche dei polimeri.
• Manipolazioni della fase solida.
• Caratterizzazione chimico-fisica di strutture polimeriche tridimensionali e in forma di film: grado di idrofilia (angolo di contatto, indice di rigonfiamento);
o caratteristiche meccaniche (modulo elastico, resistenza alla rottura, grado di deformabilità, resistenza alla fatica);
o porosità della struttura tridimensionale;
o caratteristiche di superficie (rugosità) mediante tecniche

Bibliografia

1) Materiale didattico
A discrezione del docente potranno essere fornite le diapositive delle lezioni frontali, dispense riassuntive schematiche sugli argomenti trattati, protocolli sperimentali descrittivi dell'attività pratica di laboratorio, rassegne scientifiche dalla bibliografia internazionale per l’approfondimento dei vari argomenti del programma. Il materiale didattico viene messo a disposizione on-line in formato elettronico tramite apposita piattaforma web.
2) Testi consigliati
Per "Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibilità in vivo e in vitro. Mod.A"
- Kyriacos A. Athanasiou, Eric M. Darling, Jerry C. Hu, Grayson D. DuRaine, A. Hari Reddi. Articular Cartilage. March 21,2013 by CRC Press;
Per "Prodotti medicinali per terapie avanzate"
- Martin's Physical Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, Fifth Edition P. J. Sinko Editor, Lippincot Williams & Wilkins, Phildelpia, 2006
Per "Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibilità in vivo e in vitro. Mod. B"
- DE FELICI M., e coll.: Embriologia Umana - Morfogenesi - Processi molecolari - Aspetti Clinici, Piccin, Padova, 2014.
- PELAGALLI G.V., e coll.: Embriologia, Morfogenesi e Anomalie dello Sviluppo, Idelson - Gnocchi, Napoli, 2009.
- ADAMO S., CAMOGLIO P., DOLFI A., et al.: Istologia di V. Monesi, VII edizione, Piccin, Padova.
ROSS M.H., PAWLINA W.: Istologia –Testo e Atlante con cenni di Biologia cellulare e molecolare, Ambrosiana, Milano.
- BARONE R.: Anatomia Comparata dei Mammiferi Domestici, Edagricole, Bologna.
COZZI B., BALLARIN C., PERUFFO A., CARÙ F.: Anatomia degli animali da laboratorio (Roditori e Lagomorfi), Ambrosiana, Milano.
- KÖNIG H. E., LIEBICH H. G.: Anatomia dei mammiferi domestici (Testo-atlante a colori), Piccin, Padova.
- DI BELLO C.: biomateriali – Introduzione allo studio dei materiali per uso biomedico, Pàtron, Bologna.
- MANTERO S., REMUZZI A., RAIMONDI M.T., AHLUWALIA A.: Fondamenti di ingegneria dei tessuti per la medicina rigenerativa, Pàtron, Bologna.
- HOLLINGER J.O., EINHORN T.A., DOLL B.A., SFEIR C.: Bone tissue engineering , CRC PRESS, Boca Raton, Florida.

Metodi didattici

Le lezioni frontali , per tutti gli insegnamenti, sono organizzate mediante la trattazione degli argomenti con presentazione di diapositive Power Point.
Per la parte pratica, nell’insegnamnto di “Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibilità in vivo e in vitro. Mod.A , l’attività (totale di 12 ore) è svolta in laboratorio biologico multipostazione con disponibilità di cappe microbiologiche, bagnetti termostatati per isolamenti enzimatici tissutali e microscopi ottici rovesciati per la conta e l'osservazione delle cellule e dei sistemi colturali applicati gli studenti opereranno direttamente seguendo protocolli di laboratorio definiti nell'allestimento di colture primarie e di sistemi colturali specifici. Nell’ insegnamento di “Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibilità in vivo e in vitro. Mod.B, sono previste lezioni teorico-pratiche (totale di 12 ore) in aula settoria, nel museo anatomico veterinario, nel laboratorio di istologia e nel laboratorio di microscopia. Le lezioni teorico-pratiche prevedono la suddivisione in gruppi la cui numerosità dipende esclusivamente

Modalità verifica apprendimento

L’accertamento del raggiungimento degli obiettivi previsti dal corso verterà su una prova orale consistente in domande volte a verificare le conoscenze e capacità di comprendere gli argomenti trattati e le competenze acquisite in campo applicativo; sarà valuta inoltre la proprietà di linguaggio e la capacità di ragionamento. ll risultato dell'esame è vincolato alla valutazione positiva della risposta dello studente alle varie domande ed il voto finale deriverà dalla loro valutazione globale.
Si può sostenere una prova in itinere (test scritto a risposta multipla oppure presentazione Power Point di argomento specifico o una o più domande orali o sull’attività pratica sulla prima parte del programma.

Altre informazioni

Il docente di Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibiltà in vitro e in vivo (Modulo A) è disponibile per colloqui didattici agli studenti al fine di ulteriori delucidazioni e chiarimenti, sia durante lo svolgimento del Corso che per la preparazione dell'esame, dal lunedi al venerdi previo accordo via-email. Senza preavviso, i giorni migliori, compatibilmente con altri impegni istituzionali de docente, sono: mercoledi 9,30-11,30, giovedi 10,30-12,30.
Il docente di Prodotti medicinali per terapie avanzate è disponibile il mercoledi' ore 10-12.
Il Docente del modulo: Osteocondrogenesi: modelli di biocompatibiltà in vitro e in vivo (Modulo B) è disponibile dal lunedi al venerdì previo accordo via e-mail o telefonico.