AFFILIAZIONE
università di pisa – dipartimento di ingegneria dell’informazione

AUTORE PRINCIPALE
Dr. Fortunato Gabriele Maria

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GRUPPO DI LAVORO
Dr. Fortunato Gabriele Maria – università di pisa – dipartimento di ingegneria dell’informazione, pisa

AREA TEMATICA
Applicazioni innovative di bioingegneria (premio miglior tesi di dottorato)

ABSTRACT
Il progetto di ricerca riguarda lo sviluppo di una soluzione innovativa nell’ambito dell’ingegneria tessutale e della medicina rigenerativa: il bioprinting in situ. Questa tecnologia consiste nella diretta deposizione di biomateriali sul paziente per la rigenerazione di tessuti e organi danneggiati. Il vantaggio rispetto all’approccio tradizionale è utilizzare il corpo del paziente stesso come bioreattore per la maturazione del costrutto artificiale, ottenendo una perfetta integrazione con il tessuto nativo. L’approccio più promettente è quello basato su braccio robotico, in quanto consente una deposizione precisa e controllata anche nei difetti anatomici più complessi. Per questo motivo, il primo obiettivo del progetto è stato quello di definire un workflow operativo standard per una procedura di bioprinting in situ articolato in 4 step successivi: scansione del difetto e creazione modello digitale, pianificazione della traiettoria di stampa per la rigenerazione, registrazione/localizzazione del paziente nell’area operativa, deposizione del biomateriale in situ. Per validare il workflow proposto, è stato progettato e fabbricato un braccio robotico (IMAGObot) per valutarne le potenzialità e i limiti in questo ambito di ricerca. Il robot è stato realizzato per utilizzare molteplici tool, tra cui un sistema di stampa ad estrusione ed uno di scansione dei difetti in grado di acquisire sia le proprietà geometriche che meccaniche dei tessuti scansionati. Questo consente di pianificare le traiettorie in modo più preciso, potendo utilizzare diversi biomateriali a seconda del tessuto biologico target. L’algoritmo di pianificazione delle traiettorie è stato invece sviluppato in Matlab e consente la determinazione del percorso di stampa sul difetto anatomico a partire dalla superficie del difetto. IMAGObot è stato quindi validato in uno scenario simulato seguendo tutti gli step del workflow operativo. É stato realizzato un phantom con un difetto cranico e utilizzando il braccio robotico è stata acquisita la geometria e le proprietà del difetto che è stato in seguito rigenerato mediante bioprinting in situ basato su tecnologia ad estrusione utilizzando diversi idrogel a seconda dei tessuti coinvolti. I risultati ottenuti hanno mostrato che l’approccio robotico per il bioprinting in situ è molto promettente per la medicina rigenerativa e potrà presto diventare un valido ausilio per il chirurgo permettendo, inoltre, un più rapido recupero del paziente.

 

 

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AFFILIAZIONE
dipartimento di ingegneria dell’informazione

AUTORE PRINCIPALE
Dr. Bonatti Amedeo Franco

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GRUPPO DI LAVORO
Dr. Bonatti Amedeo Franco – dipartimento di ingegneria dell’informazione, pisa

AREA TEMATICA
Applicazioni innovative di bioingegneria (premio miglior tesi di dottorato)

ABSTRACT
Negli ultimi decenni, il campo della biostampa è cresciuto esponenzialmente sia nel mondo accademico sia nell’industria come promettente soluzione per stampare in 3D costrutti complessi a partire da biomateriali e cellule viventi. Tali costrutti andranno a mimare/sostituire/riparare un tessuto o un organo danneggiato, con l’obbiettivo ultimo di venire impiantati sopperendo alla carenza di donatori. Nonostante i successi dimostrati in letteratura, attualmente sono pochi gli esempi di traslazione clinica di un prodotto biostampato, a causa principalmente di limitazioni tecnologiche e barriere normative. In questo contesto, l’obbiettivo del progetto di dottorato riguarda lo sviluppo di sistemi di controllo qualità che garantiscano un prodotto altamente accurato e riproducibile in modo da accelerarne il passaggio verso l’uso di routine negli ospedali.
Per raggiungere questo obbiettivo, nella prima parte del dottorato è stata sviluppata una biostampante che integra più tecnologie (biostampa ad estrusione, inkjet, modellazione a deposizione fusa) per ottenere costrutti complessi realizzati con biomateriali diversi a diverse scale di grandezza. Le caratteristiche principali della biostampante comprendono una rigida struttura portante per l’attenuazione delle vibrazioni, l’uso di assi motorizzati caratterizzati da elevata accuratezza di posizionamento, il design di testine di stampa che garantiscono una deposizione ripetibile dei biomateriali di interesse. Successivamente, sono stati implementati sistemi di controllo qualità specifici per ciascuna testina. In particolare, sono stati sviluppati dei modelli matematici per ottimizzare il processo di biostampa ad estrusione a priori, riducendo il numero dei test di caratterizzazione necessari. Tali modelli sono stati integrati insieme a modelli di Intelligenza Artificiale che permettono il monitoraggio della qualità del prodotto direttamente durante il processo di stampa. Infine, le soluzioni sviluppate sono state validate nell’ambito del progetto di ricerca europeo GIOTTO andando a fabbricare costrutti per applicazioni di rigenerazione del tessuto osseo. Questi esperimenti hanno dimostrato come tali soluzioni possano essere utilizzate per fabbricare prodotti ripetibili e di alta qualità, rappresentando quindi un valido strumento per muovere i prodotti biostampati verso applicazioni cliniche rilevanti.

 

 

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AFFILIAZIONE
università degli studi niccolò cusano

AUTORE PRINCIPALE
PhD Pettinato Sara

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GRUPPO DI LAVORO
PhD Pettinato Sara – università degli studi niccolò cusano, roma
PhD Girolami Marco – istituto di struttura della materia, consiglio nazionale delle ricerche, montelibretti
PhD Stravato Antonella – azienda ospedaliera “san giovanni-addolorata”, roma
Prof.ssa Rossi Maria Cristina – università roma tre, roma
Prof. Salvatori Stefano – università degli studi niccolò cusano, roma

AREA TEMATICA
Applicazioni innovative di bioingegneria (premio miglior tesi di dottorato)

ABSTRACT
Con lo sviluppo delle moderne tecniche radioterapiche, si è registrata una crescente richiesta di dosimetria di precisione della radiazione che ha imposto l’uso di strumenti sempre più accurati e affidabili. Attualmente, per le misure di dose, i fisici sanitari usano le camere a ionizzazione connesse a elettrometri di precisione. Tali strumenti integrano continuamente nel tempo il segnale di fotocorrente dei detector, non consentendo di avere informazioni in tempo reale della dose rilasciata dal singolo impulso. In questo lavoro viene presentato un sistema di rivelazione completo basato su un dosimetro in diamante accoppiato a un’elettronica custom studiato per il monitoraggio della dose, impulso per impulso, e per la diagnostica real-time dei fasci di radiazione (fotoni o elettroni) usati nelle tecniche convenzionali di radioterapia e nella emergente tecnologia FLASH. Quest’ultima pone numerose sfide dal punto di vista dosimetrico per gli elevati valori sia di dose per impulso (>1Gy/p) che di dose-rate (>40 Gy/s) che per i tempi di trattamento estremamente bassi (100-200ms). I livelli di fotocorrente (fino a 100 mA) generata da dosimetri irraggiati con fasci FLASH non possono essere gestiti dagli elettrometri convenzionali oggi ottimizzati per ampiezze di segnale inferiori a 0.5 mA. Lo strumento proposto sfrutta il segnale di sincronismo disponibile alla console di controllo del LINAC per sincronizzare la misura ad ogni impulso: un integratore di precisione, pilotato da un microcontrollore opportunamente programmato, integra il segnale solo a cavallo dell’impulso, per pochi microsecondi. Ad ogni impulso, lo strumento è in grado di monitorare i parametri principali dei fasci incidenti: dose assorbita; dose-rate istantaneo ed efficace; frequenza di ripetizione. Il lavoro ha perciò l’obiettivo di dare un contributo significativo alla comunità scientifica trasversalmente impegnata nello studio degli effetti radiobologici sui tessuti quando irraggiati con elevati valori di dose per periodi di tempo di pochi millisecondi. Il sistema è stato validato sia con fasci di fotoni ed elettroni usati nella radioterapia convenzionale ed ha permesso di misurare livelli di dose di 278 µGy/p e 556 µGy/p, rispettivamente a 6 MeV e 18 MeV, sia con elettroni a 7 MeV emessi da un apparato FLASH, ed in questo caso la dose misurata è superiore a 2.5 Gy/p. Quanto proposto appare dunque una solida base con cui contribuire nella ricerca in ambito della radioterapia oncologica.

 

 

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università di pisa – dipartimento di ingegneria dell’informazione

AUTORE PRINCIPALE
Dr Chiesa Irene

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GRUPPO DI LAVORO
Dr Chiesa Irene – università di pisa – dipartimento di ingegneria dell’informazione, pisa

AREA TEMATICA
Applicazioni innovative di bioingegneria (premio miglior tesi di dottorato)

ABSTRACT
La stampa 4D, introdotta per la prima volta nel 2013, può essere definita come la fabbricazione tramite stampa 3D di strutture che hanno la capacità di cambiare forma nel tempo, in maniera controllata e prevedibile, se esposte ad uno predeterminato stimolo esterno. Sebbene in letteratura ci siano diversi esempi che mostrano la potenzialità della stampa 4D in ambito biomedico, vi è ancora la mancanza di una formalizzazione completa di questo approccio di fabbricazione, che sia in grado di guidare e promuovere il suo utilizzo in ambito biomedico. In questo scenario, l’obiettivo di questo progetto di dottorato è stato l’espansione e il consolidamento della stampa 4D come tecnologia di fabbricazione abilitante per programmare l’evoluzione fisica, innescata da stimoli provenienti dall’ambiente, di strutture e dispositivi di interesse biomedico. Inizialmente è stato condotto uno studio teorico per formalizzare la progettazione con stampa 4D, tramite la definizione di una morphological box di alto livello e lo sviluppo di un workflow esauriente in grado di instradare l’utente verso una corretta progettazione, fabbricazione ed utilizzo di un nuovo prodotto. Successivamente, i suddetti strumenti teorici sono stati utilizzati come supporto nella progettazione e nello sviluppo di quattro casi studio di interesse biomedico. Il primo è un costrutto per l’ingegnerizzazione della trachea, sviluppato a partire da uno film in grado di arrotolarsi, fino a formare una struttura tubulare quando immerso in ambiente acquoso. Il costrutto è risultato altamente biocompatibile per diverse popolazioni cellulari di interesse (fibroblasti delle corde vocali, cellule epiteliali polmonari e cellule progenitrici della cartilagine) ed è in grado di supportare e favorire la formazione di cartilagine ialina. Il secondo caso studio ha previsto lo sviluppo di un modello in vitro di neurulazione, processo che porta alla formazione del tubo neurale nell’embrione. Il modello sviluppato è in grado di mimare la disposizione spaziale a rosetta delle cellule del corrispettivo organo in vivo. Il terzo e il quarto caso studio invece sfruttano la termo-responsività della seta per applicazioni di chirurgia intestinale. Più nel dettaglio sono state fabbricate delle strutture tubulari bistrato per eseguire anastomosi intestinali senza suture e strutture elicoidali per eseguire distraction enterogenesis intestinale, per il trattamento della sindrome dell’intestino corto.

 

 

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istituto tumori -irccs “fondazione pascale”

AUTORE PRINCIPALE
Ing D’Antò Michela

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GRUPPO DI LAVORO
Ing D’Antò Michela – istituto tumori -irccs “fondazione pascale”, napoli
Dr Cuomo Arturo – istituto tumori -irccs “fondazione pascale”, napoli
Dr Cascella Marco – istituto tumori -irccs “fondazione pascale”, napoli
Prof. Cutugno Francesco – università degli studi di napoli “federico ii”, napoli
Prof. Romano Maria – università degli studi di napoli “federico ii”, napoli
Ing. Ponsiglione Alfonso Maria – università degli studi di napoli “federico ii”, napoli
Prof Amato Francesco – università degli studi di napoli “federico ii”, napoli

AREA TEMATICA
Applicazioni innovative di bioingegneria (premio miglior tesi di dottorato)

ABSTRACT
Quantitative and objective pain monitoring in oncology is still an open research challenge. Based on literature estimates, one-half of all cancer patients suffer from pain [1], and one out of three cases has inadequately controlled pain [2], which can result in lower quality of life, reduced adherence to therapy, and, not least, increase in healthcare expenditure due to oncological pain relief procedures [1]. Therefore, there is an urgent unmet need for novel methods and approaches to identify measurable, reliable, and appropriate indicators to support quantitative assessment and proper management of cancer pain. According to a recent review [1], biosignals can represent an opportunity for the objective quantification of cancer pain. However, despite these research efforts, there is the lack of a standardized approach for quantitative pain assessment and of a shared protocol for pain management for both hospital and home care.
In this context, the proposed project aims to define a framework for the quantitative and objective pain assessment and management leveraging the power of biosignals, wearable devices and artificial intelligence (AI). The framework is based on the use of a commercial wearable platform for simultaneous acquisition of different types of physiological signals, which are processed to extract the most significant features correlating with the patients pain experience, evaluated by means of a patient self-assessment report. The features are then used to train AI algorithms to achieve fast prediction of the patient pain experience, thereby providing a route for an automatic objective pain assessment. The project is carried out by the Istituto Nazionale Tumori IRCCS “Fondazione Pascale” and University of Naples “Federico II”.
Preliminary results regard the definition of the pain monitoring framework and the design of the signal acquisition protocol. A first experimental setting will be focused on the simultaneous acquisition of both ECG signals and electrodermal activity (EDA) in cancer patients at the IRCCS “Fondazione Pascale” in order to show the feasibility and potential impact of the proposed approach.

References:
1. Moscato, et al. (2022). Computer Methods and Programs in Biomedicine, 106682.
2. Cascella, et al. (2022). Healthcare (Vol. 10, No. 3, p. 441).

 

 

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università degli studi la sapienza

AUTORE PRINCIPALE
PhD Bruzzaniti Placido

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GRUPPO DI LAVORO
PhD Bruzzaniti Placido – università degli studi la sapienza, roma
Prof. Familiari Pietro – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Lapolla Pierfrancesco – università degli studi la sapienza, roma
Prof. Relucenti Michela – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Battaglione Ezio – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Cristiano Loredana – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Sorrentino Veronica – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Aversa Sara – università degli studi la sapienza, roma
Dr. D’Amico Alessia – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Puntorieri Pierfabrizio – università degli studi mediterranea di reggio calabria, reggio calabria
Dr. Bruzzaniti Lucia – università degli studi mediterranea di reggio calabria, reggio calabria
Prof. Mingoli Andrea – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Brachini Gioia – università degli studi la sapienza, roma
Prof. Barbaro Giuseppe – università degli studi mediterranea di reggio calabria, reggio calabria
Dr. Scafa Anthony Kevin – università degli studi la sapienza, roma
Dr. D’Andrea Giancarlo – ospedale fabrizio spaziani, frosinone
Prof Frati Alessandro – ospedale fabrizio spaziani, frosinone
Dr, Picotti Veronica – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Berra Luigi Valentino – università degli studi la sapienza, roma
Dr. Petrozza Vincenzo – università degli studi la sapienza, roma
Prof. Nottola Stefania – università degli studi la sapienza, roma
Prof. Santoro Antonio – università degli studi la sapienza, roma

AREA TEMATICA
Applicazioni innovative di bioingegneria (premio miglior tesi di dottorato)

ABSTRACT
Diverse teorie hanno cercato di chiarire i meccanismi alla base della fisiopatologia dell’ ematoma subdurale cronico (CSDH). Tuttavia, i meccanismi alla base di questa patologia sono complessi e rimangono per lo più sconosciuti. In questo studio abbiamo eseguito un’analisi randomizzata retrospettiva confrontando l’atrofia corticale di 190 pazienti con CSDH unilaterale, con 190 controlli sani. In questo lavoro abbiamo riportato, per la prima volta, l’analisi ultrastrutturale del CSDH utilizzando una combinazione di metodi immunoistochimici e tecniche di microscopia elettronica a trasmissione. È stato sviluppato e validato un indice della atrofia corticale correlato (RCA) dato dalla somma del diametro massimo di tre cisterne (insulare cisterna, fessura cerebrale longitudinale e solchi cerebrali più grandi) diviso la massima distanza tra le ossa temporali. Questo indice è risultato fortemente correlato all’età nei controlli sani ed è positivamente correlato al diametro massimo preoperatorio e post-operatorio dell’ematoma e allo spostamento della linea mediana in Pazienti CSDH. Al contrario, RCA è correlato negativamente al Karnofsky Performance Status (KPS). Il test Area Under the Receiver Operating Characteristics (AUROC) ha mostrato che l’indice RCA è efficace casi differenziati dai controlli. L’analisi immunoistochimica ha mostrato che la neo-formazione di micro-vasi CD-31 positivi è maggiore dei micro-vasi CD34-positivi nella membrana interna del CSDH rispetto alla membrana esterna. Le osservazioni ultrastrutturali evidenziano la presenza di uno stato infiammatorio cronico principalmente nella membrana interna del CSDH. Integrando questi risultati, abbiamo ottenuto un modello etiopatogenetico di CSDH. L’atrofia corticale risulta dunque il fattore scatenante che attiva la cascata di filtrazione cellulare transendoteliale, infiammazione, formazione di neo-membrane e neovascolarizzazione che porta alla formazione dell’ematoma sottodurale cronico.

 

 

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