L’area delle Nanobiotecnologie svolge attività di sviluppo e caratterizzazione di nanomateriali e superfici nanostrutturate per applicazioni ortopediche. Le superfici vengono realizzate mediante deposizione elettronica pulsata (Pulsed Electron Deposition) nella configurazione Ionized Jet Deposition.

Essa persegue quattro indirizzi principali.

1.    Messa a punto di nanomateriali e rivestimenti ceramici bioattivi, in grado di migliorare l’osteointegrazione di impianti e dispositivi biomedicali, anche custom-made.
Lo scopo della ricerca è quello di aumentare la capacità dei dispositivi medicali, quali impianti e sostituti ossei, di integrarsi con l’osso ospite in breve tempo, riducendo il tasso di fallimenti e la necessità di chirurgie di revisione.
A tale scopo vengono studiati diversi materiali, sia sintetici (calcio fosfati, anche con sostituzioni ioniche, vetri bioattivi), che ottenuti da fonti biogeniche (ossa animali, materiali di origine marina).
Particolare attenzione viene rivolta allo sviluppo di rivestimenti per dispositivi porosi realizzati con stampa 3D, anche personalizzati, metallici, ceramici e polimerici.
2.    Sviluppo e caratterizzazione di rivestimenti antibatterici (metallici e/o ceramici) per contrastare l’insorgenza di infezioni di protesi e dispositivi biomedicali, anche custom-made.
Le infezioni costituiscono un enorme problema dal punto di vista sociale ed economico e una delle principali cause di fallimento degli impianti. Per questa ragione vengono studiati rivestimenti nanostrutturati che possano essere applicati su qualsiasi tipo di dispositivo biomedicale (impianti, garze, teli, cateteri, strumentario chirurgico), in grado di disincentivare l’adesione e la proliferazione batterica.
I rivestimenti vengono ottenuti mediante una tecnica innovativa al plasma: Ionized Jet Deposition, che garantisce un elevato controllo sullo spessore, la composizione e la nanostrutturazione degli stessi. Proprio grazie alla nanostrutturazione, è possibile ottenere un rilascio prolungato e controllato dell’agente antibatterico, che massimizza l’efficacia e minimizza la tossicità del coating.
3.    Sviluppo di rivestimenti atti a limitare le recidive tumorali in pazienti oncologici.
Le recidive tumorali rappresentano una grave problematica in ortopedia e sono legate a tassi elevati di mortalità. In aggiunta, i pazienti oncologici soffrono di una maggiore incidenza delle infezioni e di ridotte capacità di rigenerazione ossea.
Scopo della ricerca è la messa a punto di rivestimenti in grado di limitare l’incidenza di recidive, da applicarsi su impianti o sostituti ossei destinati a pazienti post resezioni tumorali.
Tali rivestimenti, allo stesso tempo, mirano a ridurre la colonizzazione batterica delle superfici e a favorire la rigenerazione ossea.
L’efficacia degli stessi viene testata e massimizzata mediante modelli avanzati di test in vitro.
4.    Caratterizzazione fisico-chimica, morfologica e composizionale dei materiali, anche nanostrutturati.
Vengono effettuate caratterizzazioni fisico-chimiche e meccaniche di materiali biologici e biomateriali, ivi inclusi nanomateriali e superfici nanostrutturate, mediante tecniche avanzate di indagine diagnostica.

L'origine e la progressione neoplastica sono fortemente condizionate da fattori microambientali e sistemici. Le cellule tumorali interagiscono localmente a livello molecolare e metabolico con le cellule del sistema immunitario (leucociti, macrofagi, osteoclasti, cellule mesenchimali reattive), con la matrice extracellulare e con le condizioni microambientali (pO2, pCO2, pH). A livello sistemico, con le cellule immunitarie, i fattori bioumorali circolanti e i sistemi metabolici, a loro volta condizionati dalla nutrizione e dal microbiota intestinale.
Il nostro studio, focalizzato sui sarcomi e le metastasi ossee, vuole approfondire la conoscenza del microambiente tumorale e l'effetto di fattori sistemici per identificare nuovi marcatori di diagnosi e nuovi bersagli terapeutici allo scopo di migliorare la qualità della vita e la prognosi dei pazienti.
Per gli studi preclinici utilizziamo modelli di studio, basati su tecniche di coltura e co-coltura 3D, bioprinting, microfluidica e modulazione del microambiente, analizzati mediante microscopia confocale statica e dinamica. Per gli studi clinici applichiamo tecniche di analisi fenotipica e genotipica a singola cellula, isolamento e analisi di esosomi e tecniche biochimiche per lo studio di fattori bioumorali e metabolici rilasciati dal tumore, dalle cellule del sistema immunitario e dal microbiota intestinale.

L'osso è un tessuto complesso, costituito da cellule (osteociti, osteoblasti, osteoclasti, cellule staminali mesenchimali, cellule endoteliali, cellule nervose, cellule emopoietiche) e da una matrice proteica mineralizzata. L'equilibrio delle attività di formazione e riassorbimento del tessuto osseo condiziona le proprietà meccaniche dello scheletro. A loro volta, le sollecitazioni meccaniche influenzano l'omeostasi ossea. Altri elementi, di natura sistemica, agiscono nel regolare la fisologia del tessuto osseo: vitamine, fattori ormonali e bioumorali, variazioni del pH agiscono a diverso livello sull'attività delle cellule ossee e sulla chimica della componente minerale. I minerali e i fattori di crescita accumulati nella matrice ossea possono d'altro canto esercitare una profonda azione a livello sistemico.
Il nostro studio vuole approfondire le caratteristiche morfo-strutturali della matrice ossea e chiarire i meccanismi di regolazione delle cellule ossee a opera di fattori microambientali per identificare nuove terapie per curare le condizioni di deplezione patologica della massa ossea (osteoporosi). Vuole inoltre valutare la possibilità d'intervento preventivo attraverso una correzione degli stili di vita e l'uso di molecole nutraceutiche. Una particolare attenzione è rivolta allo studio del ruolo del citrato nell'omeostasi scheletrica e ai fenomeni che condizionano la mineralizzazione della matrice ossea.
Per gli studi preclinici utilizziamo sistemi di coltura e co-coltura in condizioni microambientali che simulano il microambiente osseo, anche utilizzando tecniche di bioprinting e microfluidica e l'applicazione di strumenti di osservazione morfologica statica e dinamica.

In caso di frattura o perdita di sostanza, l'osso è capace di rigenerarsi attraverso un processo che ricapitola le prime fasi dello sviluppo dello scheletro. Elemento centrale di questa capacità è la cellula staminale mesenchimale (MSC), capace di moltiplicarsi e differenziarsi in presenza di opportune condizioni microambientali fino a formare matrice ossea mineralizzata. Le MSC autologhe, di derivazione ossea o dal tessuto adiposo, possono essere utilizzate direttamente o dopo espansione in camera bianca (terapia avanzata), associate o meno a scaffold naturali o sintetici.
Noi studiamo le caratteristiche fenotipiche e metaboliche delle MSC e le loro interazioni con substrati e le altre cellule ossee (osteoclasti, cellule endoteliali, cellule nervose) per migliorare le possibilità terapeutiche basate sull'uso di cellule per la cura di malattie ortopediche (esito di traumi e di interventi chirurgici demolitivi o correttivi dello scheletro). Studiamo inoltre la possibilità di amplificare il potenziale rigenerativo delle MSC attraverso la modulazione microambientale o stimoli bioumorali. Coordiniamo anche studi clinici di validazione di terapie avanzate basate sull'uso di MSC autologhe espanse.