da faenza a houston: storie di ordinaria innovazione- simone sprio

Biomateriali e Biomimesi Nuovi approcci per la Medicina

Rigenerativa

Simone Sprio

Faenza(RA) -ITALY

Autologous bone transplantation Greatest potential for bone regeneration, easy to model Bone harvesting damages healthy body parts Limit to transplantable quantity

A significant area of modern medical technology has been developed through inert materials;

they are biocompatible…

…but not active, not porous andnot resorbable

Current solutions for healing of bone defects

Allotransplant of bone Large quantities available, easy to model Non uniformity of products (sex, age) Issues of antigenicity and infection

Artificial bone graft Uniformity in quality No limit to amount of use No capability of bone formation

La Natura come fonte di ispirazione

Design FunctionStructure

Becco del MartinPescatore Alghe antibattericheEffetto Loto

)

Hypothesis: mimare le caratteristiche chimico –fisiche e morfologiche del

tessuto nativo così da attivare tutti gli step della cascata rigenerativa.

Biomimesi

Oggi la frontiera è ……..

Una volta impiantato l’impianto è in grado di stimolare la chemotassi cellulare e

la colonizzazione da parte delle cellule del paziente.

…… quindi il corpo umano funziona come un BIOREATTORE NATURALEIn grado di guidare il sistema verso una perfetta rigenerazione

CT-scan

8

Immagine 1: pre-op patient CT scan Immagine 2: pre-op patient CT scan

Immagine 3: modello Immagine 4: protesi

Immagine 5: chirurgia Immagine 6: Tac post

Pre-op

Post-op

Post-op CT- Densitometry Analysis

La rigenerazione delle ossa degli arti è ancora un problema irrisolto, a causa delle numerose complicazioni associate a fratture gravi e comminute quali infezioni e mal-unioni.

Non-unioni

Mal-unioni

Infezioni

Pseudoartrosi

Procedure chirurgiche ripetute e dolorose

e dall’esito molto incerto

Perdita di funzionalità

Amputazioni

RIGENERAZIONE OSSEA: LE SFIDE ANCORA APERTE

IL CORPO UMANO E’ UNA STRUTTURA DI TENSEGRITA’ GERARCHICAMENTE ORGANIZZATA

OSSO

LEGAMENTI

OSSA E LEGAMENTI SONO STRUTTURE AD ELEVATA COMPLESSITA’ STRUTTURALE CHE CONSENTE DI ESPRIMERE PROPRIETA’ MECCANICHE STRAORDINARIE ED IRRIPRODUCIBILI

COME MIMARE TALE COMPLESSITA’ ?

LA NATURA UTILIZZA SISTEMI DI CONTROLLO ALLA NANO-SCALA PER COSTRUIRE STRUTTURE COMPLESSE

IL LEGNO COME MODELLO STRUTTURALE PER L’OSSO

Organic compounds: Collagen type I (25%) Cells Proteoglycans and non-collagenous proteins

Inorganic compounds: Nano-crystalline Hydroxyapatite (70%) Water

BONE

Organic compounds: Cellulose (35-55%) Hemicellulose (20-35%) Lignin (20-25%)

LA SFIDA

Trasformare legni naturali in impianti ossei di nuova generazione

SIPO

RATTAN

LUFFAFront view

Transversal view

OVERALL POROSITY : 76 %40 % Large pores ( = 150 22 m)

60 % Small pores ( = 7 3 m)

OVERALL POROSITY : 85 %58 % Large pores ( = 250 40 m)

15 % Medium pores ( = 12 4 m)

27 % Small pores ( = 4 1 m)

Cortical-like

Spongy-like

Spongy-like

STRUTTURE LIGNEE CHE MIMANO L’OSSO

OVERALL POROSITY : > 90 %65 % Large pores ( = 550 100 m)

25 % Medium pores ( = 20 4 m)

10 % Small pores ( = 3 1 m)

UNICITA’ Struttura gerarchica che mima l’osso Composizione chimica che mima l’osso Consente il carico meccanico dopo l’impianto Riassorbibile

OSSO LEGNO

200 m

OSSO LEGNO

200 m

OSSO LEGNO

200 m

OSSO LEGNO

200 m

Legno di Rattanosso

CERAMISATION PROCESS OF NATIVE WOOD

1) PYROLYSISWood Carbon

2) CARBURISATIONCarbon CaC2

3) OXIDATIONCaC2 CaO

5) PHOSPHATIZATIONCaCO3 Hydroxyapatite

4) CARBONATIONCaO CaCO3

Transformation of the natural wood template and preserving its initial

morphology

Slow thermal treatment at 1000 °C in Ar atmosphere

Reaction of Carbon with gaseous Calcium

at 1650 °C in Ar atmosphere

Oxidation in air at 1000 °C

Carbonation in furnace or autoclave under CO2 pressure

Phosphatization at room conditions in a PO4-rich solution.

Tampieri A, Sprio S, Ruffini A, Celotti G, Lesci IG, Roveri N. From Wood to Bone: multi step-process to convert wood hierarchical structures into biomimetic hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering. J Mater Chem 2009; 19 (28): 4973-4980 .

surgery implantationwood bone implant

Load bearing bone implants by trasforming natural wood

BIOACTIVE

BIORESORBABLE

Suitable for all non-union and any bone implant

DRIVERS

ageing population

unmet clinical needs

surgeon request

inadequacy of autografts

patient pressure

No more amputations or multi-step painful surgery!!!

Wood-derived bone implantsPATENT: WO2013063201 PCT/IB2011/054980.

EU, USA, CANADA, RUSSIA, INDIA, CINA, AUSTRALIA

Patients walk in short timesComplete bone regeneration in 12 months with no more surgery

Green Bone

Grazie

per la vostra attenzione!