Materiali intelligenti per la crescita cellulare

Titolo del progetto di ricerca

HYDROLIGHT - Reversible 3D light-structuring of stimuli-responsive hydrogel networks for biophotonic applications

Area scientifica  

Scienza dei materiali, Materiali intelligenti, Biofotonica

Coordinatore del progetto

Francesca Frascella

Abstract

Il progetto HYDROLIGHT ha sviluppato nuovi substrati intelligenti per la crescita cellulare. Si tratta di materiali polimerici tipo idrogel, funzionalizzati con azopolimeri e ciclodestrine, capaci di cambiare struttura in modo reversibile, in seguito all’irradiazione da parte di luce laser.

Descrizione del progetto di ricerca 

Molti settori di ricerca nelle scienze della vita potrebbero beneficiare della messa a punto di materiali per substrati cellulari che possano essere modificati con le cellule a bordo, in tempo reale e in modo completamente reversibile.

HYDROLIGHT ha messo a punto una nuova piattaforma tecnologica da fornire ai biologi, fondata sullo sviluppo di innovativi materiali a base di idrogel. I materiali polimerici potranno essere strutturati in 3D grazie allo sviluppo di metodi olografici con luce laser.

Elemento fondamentale per questi substrati intelligenti è la presenza dell’ azobenzene, il cui l’irraggiamento induce una trasformazione reversibile nella disposizione geometrica e nella polarità. Tale proprietà viene utilizzata nel progetto come “chiave” per attivare o disattivare il legame tra l’azobenzene e uno zucchero, la ciclodestrina. Quando irraggiato, l’azobenzene perde la capacità di legarsi allo zucchero e questo permette di controllare la disposizione spaziale degli azopolimeri. Particolari strutture potranno essere ottenute irradiando il materiale con metodi olografici basati su modulatori spaziali della  luce.

L’obiettivo finale è stato di studiare l’interazione tra cellula e substrato e dimostrare la possibilità di condizionare il comportamento cellulare attraverso tali modifiche della morfologia del substrato.

Gli ambiti applicativi vanno dallo studio degli organoidi (aggregati tridimensionali di cellule staminali che riproducono in laboratorio alcune proprietà strutturali e funzionali degli organi), al controllo della differenziazione in tipi cellulari diversi delle cellule staminali.

Impatto sulla società

Il progetto HYDROLIGHT è altamente interdisciplinare e combina conoscenze e competenze in ottica, sintesi e funzionalizzazione chimica di biomateriali e studi di biologia cellulare. L’aumento di  conoscenza nell’uso di un approccio olografico per la creazione reversibile di pattern  in film sottili di azopolimeri apre la strada alla sensoristica “attiva”. Ambiti applicativi possibili, che permetterebbero inoltre lo sfruttamento commerciale dei risultati del progetto, sono l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa, che beneficeranno della possibilità di dare la forma desiderata ai tessuti coltivati.

HYDROLIGHT si inserisce nella linea progettuale di Imaging avanzato del nuovo Laboratorio Interdipartimentale del Politecnico di Torino PoliToBIOMed Lab e nelle strategie di supporto alla ricerca della Regione Piemonte e della Compagnia di San Paolo verso un Centro di Medicina Traslazionale. Offrirà inoltre interessanti opportunità di collaborazione con produttori di microscopi come Nikon per nuovi approcci olografici all’Imaging di oggetti biologici.

Risultati della ricerca

Il progetto ha sviluppato e testato tre tipi di idrogel. Quello che si è rivelato “più promettente” è il modello battezzato PNIPAM-MR ancorato ad un supporto vetroso: si è infatti ottenuto un idrogel testabiletestabile con le cellule, modificabile in tempo reale ed in modo reversibile. Il substrato inoltre si presta bene alla possibilità di essere strutturato in tre dimensioni con metodi olografici basati su luce laser. Questo renderebbe possibile lo studio delle modifica delle funzionalità cellulari e del comportamento delle cellule agendo sulla morfologia del substrato.

Tra i principali risultati scientifici evidenziamo:

  • 3 pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali
  • 2 presentazioni del progetto a conferenze internazionali
  • 2 nuove collaborazioni internazionali (Università di Belo Horizonte in Brasile e Karolinska Institute in Svezia)

Il progetto è stato inoltre presentato al pubblico durante la manifestazione “Just the woman I am” nel 2019 a Torino.

Breve cv del coordinatore

Francesca Frascella si è formata all’Università di Torino dove ha ottenuto la Laurea Magistrale in Metodologie Chimiche Avanzate, per proseguire con un dottorato di ricerca in Scienza dei materiali presso il Politecnico di Torino dove ora ricopre una posizione da ricercatore presso il DISAT – Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia. Ha svolto un periodo di ricerca presso l’Università di Bath (Gran Bretagna) e ha collaborazioni di ricerca con l’Università di Torino, l’Inrim (Istituto nazionale di Ricerca in Metrologia)  e la University of Siegen in Germania. E’ autrice e co autrice di 40 pubblicazioni su riviste internazionali

Gruppo di lavoro@Polito

Emiliano Descrovi, Professore Associato, DISAT

Serena Ricciardi, Assegnista di Ricerca, DISAT

Betty Ciubini, Assegnista di Ricerca, DISAT

Partenariato

Partner accademico

University of Siegen, Germania

Partner non accademico

Bioclarma

  • Budget: 150.000
  • Data inizio: 15/09/2017
  • Data fine: 14/09/2019