FIS/07 Fisica Applicata

 

Gruppo di Ricerca FIS/07 Fisica Applicata (a beni culturali, ambientali, biologia e medicina)

 
Fiori Fabrizio
Professore Associato
f.fiori@univpm.it

 

 
Giuliani Alessandra
Professore Associato
a.giuliani@univpm.it

Collaboratori

Mazzoni Serena
 
serenamazzoni@libero.it

 
Girardin Emmanuelle
Collaboratrice esterna
e.girardin@univpm.it
 

 

Attività di Ricerca

 

L’attività di ricerca del gruppo di Fisica presso il Di.S.C.O. riguarda lo studio dei materiali avanzati e nanostrutturati (in particolare dei biomateriali) e per ricerche in Medicina Rigenerativa e Ingegneria dei Tessuti. A tale scopo lo studio include l’utilizzo della microscopia elettronica e delle tecniche neutroniche e a raggi X avanzate messe a disposizione dalle Large Scale Facilities europee.

Durante il 2014 i principali argomenti dell’attività di ricerca del gruppo sono stati:

  • Utilizzo delle tecniche di  imaging 3D basate sulla rilevazione di contrasto di fase: queste offrono una maggiore sensibilità rispetto alle tecniche tradizionali basate sull’attenuazione. Il guadagno in sensibilità può essere di diversi ordini di grandezza per i materiali molli, il che rende queste tecniche interessanti per l’imaging di tali tessuti e/o di tessuti sottili di interesse biomedico. Purtroppo la modalità più semplice di imaging a contrasto di fase non fornisce automaticamente dati quantitativi di fase idonei per la ricostruzione tomografica, rendendo necessaria l’applicazione di algoritmi di Phase-Retrieval. Il Phase-Retrieval applicato su singola distanza campione-rivelatore in combinazione con tempi di esposizione brevi (concessi dal grande flusso di fotoni ottenibile presso le linee di luce di sincrotrone), permettono l’analisi quantitativa di questi campioni, grazie al miglioramento della segmentazione delle diverse fasi rispetto alle configurazioni convenzionali a contrasto di fase. Inoltre, la tomografia in-line è l’unica tecnica di tomografia di fase che è stata recentemente applicata con successo nel caso di strutture generalmente poco assorbenti, con all’interno poche strutture fortemente assorbenti. Abbiamo utilizzato con successo questa tecnica proprio per studiare la cinetica di crescita dell’ osso rigenerato su diversi impianti dentali di origine umana, in presenza e assenza di biomateriali di diversa origine, in cui esisteva  un ampio range di contrasto di assorbimento tra l’osso e i tessuti molli o anche tra l’impianto in lega di Titanio e i tessuti circostanti. Questo studio è stato effettuato in collaborazione con il Prof. Adriano Piattelli e la Dott.ssa Giovanna Iezzi dell’Università di Chieti-Pescara, Department of Medical, Oral and Biotechnological Sciences, con la Dott.ssa Giuliana Tromba della beamline SYRMEP del Sincrotrone di ELETTRA (Trieste), con il Dr. Carlo Mangano dell’Università dell’Insubria – Varese, Dept. of Morphological and Surgical Sciences, con il Dr. Antonio Barone del Dipartimento di Patologia Chirurgica, Medica, Molecolare, Università di Pisa.
  • Utilizzo della tecnica di olotomografia a raggi X su un tessuto osseo generato in-vitro da colture di cellule staminali di polpa dentale. Questa tecnica innovativa ha permesso non solo la visualizzazione e la quantificazione dei tessuti mineralizzati, ma ha anche mostrato ad alta risoluzione la presenza di una neo-vascolarizzazione. Questo studio è stato effettuato in collaborazione con il gruppo di ricerca diretto dal Prof. Dr. Gianpaolo Papaccio M.D., del Dipartimento di Medicina Sperimentale-Sezione Biotecnologie, Istologia Medica e Biologia Molecolare – Laboratorio di Medicina Rigenerativa ed Ingegneria tissutale (TERM), Secondo Ateneo di Napoli.
  • La mocrotomografia ad alta risoluzione basata sull’attenuazione e sul contrasto di fase sono state utilizzate anche per studiare la cinetica di crescita dell’osso rigenerato in diversi ambienti; in-vitro: su scaffold in coltura con cellule staminali adulte (estratte dal liquido amniotico, membrana amniotica e tessuti dentali), in-vivo: su costrutti, composti dalle stesse cellule e gli scaffolds, a seguito di impianto su modelli animali (pecora). Questo studio è stato condotto nell’ambito del Progetto PRIN 2010-2011 ” Cellule staminali e scaffold 3D: un biocomplesso innovativo nella rigenerazione ossea”, coordinato a livello nazionale dal Prof. A.Piattelli, Università degli Studi “G. d’Annunzio “di Chieti-Pescara.
  • Studio delle leghe Co-Cr-Mo, ottenute con la tecnica DMLS (direct metal laser sintering), per applicazioni odontoiatriche. Queste sono state portate avanti nell’ambito della collaborazione con il gruppo di Fisica del SIMAU (Facoltà di Ingegneria), facente capo al Prof. Paolo Mengucci e al Dr. Gianni Barucca. Sono state utilizzate principalmente tecniche di microscopia elettronica (inclusa microanalisi) e diffrazione di raggi X, anche grazie alla partecipazione del gruppo al CISMIN (Centro Interdipartimentale di Ricerca e Servizio di Microscopia delle Nanostrutture) di UNIVPM. Esperimenti sono stati eseguiti anche presso l’International Centre for Electron Microscopy for Materials Science della AGH University of Science and Technology di Cracovia (Polonia), al quale si è avuto accesso mediante il Programma Europeo ESTEEM2. I risultati ottenuti sulla lega Co-Cr-Mo sono stati confrontati con la lega “standard” Ti-6Al-4V. Tale attività costituisce l’argomento di ricerca della Dr.ssa E. Girardin nell’ambito del suo Dottorato di Ricerca.
  • Applicazioni della tecnica “3D-Volume Digital Image Correlation” per l’analisi di immagine di microtomografia a raggi X, mediante la quale è possibile valutare le deformazioni indotte da trattamenti meccanici in una vasta classe di materiali, inclusi i biomateriali. Per questa ricerca, portata avanti in collaborazione con il Dr. Ing. Roberto Fedele del Politecnico di Milano, esperimenti di microtomografia sono stati condotti presso la beamline SYRMEP del sincrotrone ELETTRA di Trieste.
  • Studi di fattibilità per nuove strumentazioni per lo studio della materia con fasci di neutroni. Nell’ambito di un’ampia collaborazione a livello nazionale, quest’attività ha riguardato la proposta IRIDE (Interdisciplinary research infrastructure based on dual electron linacs and lasers), in particolare per quanto riguarda la tecnica dello small-angle neutron scattering (SANS). Inoltre, nell’ambito delle nuove strumentazioni da proporre per la European Spallation Source (ESS), la sorgente europea di neutroni a spallazione in costruzione presso Lund (Svezia), è stata iniziata una collaborazione per studiare la possibilità di proporre un diffrattometro in tale ambito. A questa collaborazione partecipa il Dr. Fiori, insieme al Prof. Renato Magli (Università di Milano), il Dr. Francesco Grazzi del CNR di Firenze, il Dr. Alessio De Francesco e il Dr. Fernando Formisano del CNR presso l’ILL di Grenoble e il Dr. Antonino Pietropaolo dell’ENEA di Frascati.

Il Dr. Fiori è rappresentante di UNIVPM nell’ambito del Virtual Institute Europeo KMM-VIN (European Virtual Institute on Knowledge-based Multifunctional Materials), e nel 2014 è stato responsabile per UNIVPM del Progetto Europeo INN-VIN (Innovative Materials Solutions for Transport, Energy and Biomedical Sectors by Strengthening Integration and Enhancing Research Dynamics of KMM-VIN).

La Dr. Giuliani è coordinatrice dell’Unità di Ancona per il Progetto PRIN 2010-2011 “Cellule staminali e scaffold 3D: un biocomplesso innovativo nella rigenerazione ossea”, coordinato a livello nazionale dal Prof. A.Piattelli, Università degli Studi “G. d’Annunzio “di Chieti-Pescara.
La Dr. Giuliani è il coordinatore finanziario del progetto europeo COST “From nano to macro biomaterials (design, processing, characterization, modeling) and applications to stem cells, regenerative orthopedics and dental medicine (NAMABIO)”, che coinvolge ricercatori provenienti da 28 paesi europei e scientificamente coordinato a livello europeo dalla stessa Università Politecnica delle Marche. All’interno del NAMABIO COST, è anche membro del Working Group 2 – “Chemical, physical and mechanical characterization”.

Il sincrotrone ESRF di Grenoble

Esempio di microtomografia a radiazione di sincrotrone:
cellule staminali (in rosso) iniettate in tessuto muscolare distrofico (in blu); in verde i vasi sanguigni

Pubblicazioni recenti

  • Giuliani, A., Manescu, A., Larsson, E., Tromba, G., Luongo, G., Piattelli, A., Mangano, F., Iezzi, G. and Mangano, C. (2013), In Vivo Regenerative Properties of Coralline-Derived (Biocoral) Scaffold Grafts in Human Maxillary Defects: Demonstrative and Comparative Study with Beta-Tricalcium Phosphate and Biphasic Calcium Phosphate by Synchrotron Radiation X-Ray Microtomography. Clin Implant Dent Relat Res. 2014 Oct;16(5):736-50.
  • Rominu M, Manescu A, Sinescu C, Negrutiu ML, Topala F, Rominu RO, Bradu A, Jackson DA, Giuliani A, Podoleanu AG. Zirconia enriched dental adhesive: A solution for OCT contrast enhancement. Demonstrative study by synchrotron radiation microtomography. Dent Mater. 2014; 30(4), 417–423.
  • Giuliani A, Moroncini F, Mazzoni S, Belicchi ML, Villa C, Erratico S, Colombo E, Calcaterra F, Brambilla L, Torrente Y, Albertini G, Bella SD. Polyglycolic Acid-Polylactic Acid Scaffold Response to Different Progenitor Cell In Vitro Cultures: A Demonstrative and Comparative X-Ray Synchrotron Radiation Phase-Contrast Microtomography Study. Tissue Eng Part C Methods. 2014 Apr;20(4):308-16. doi: 10.1089/ten.TEC.2013.0213.
  • Alexandru Ogodescu ; Adrian Manescu ; Ana Emilia Ogodescu ; Alessandra Giuliani ; Carmen Todea. Micro-CT application for infiltration technology in paedodontics and orthodontics. Proc. SPIE 8925, Fifth International Conference on Lasers in Medicine: Biotechnologies Integrated in Daily Medicine, 892508 (January 14, 2014); doi:10.1117/12.2044116
  • M.Ferrario, …, F.Fiori  et al., IRIDE: Interdisciplinary research infrastructure based on dual electron linacs and lasers, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A 740 (2014) 138-146.
  • R.Fedele, A.Ciani, F.Fiori, X-ray microtomography under loading and 3D-Volume Digital Image Correlation, Fundamenta Informaticae 135 (2014) 171-197.
  • G.Barucca, E.Santecchia, G.Majni, E.Girardin, E.Bassoli, L.Denti, A.Gatto, L.Iuliano, T.Moskalewicz, P.Mengucci, Structural characterization of biomedical Co-Cr-Mo components produced by direct metal laser sintering, Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 48 (2015) 263-269 (Epub 2014 Dec 5).
Poster Conferenza Dipartimento DISCO – 17 Giugno 2015

 

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