Stazione Leopolda, Pisa
Sabato 25 maggio, 14.00-16.00 – Auditorium Stazione Leopolda, Pisa
Comitato Organizzatore
Marco Fontanelli, Rossano Massai, Mauro Ferrari, Pericle Salvini, Marcello Mele
Comitato Scientifico
Marco Fontanelli, Cristina Nali, Giuseppe Conte, Francesca Galli, Elisa Pellegrini, Giovanni Rallo
Tecnologie per la sostituzione di organi: sfinteri artificiali per l'incontinenza urinaria
In questo talk verranno descritti gli sforzi di ricerca e la loro evoluzione in attività imprenditoriali nel campo della sostituzione di organi e tessuti con sostituti artificiali impiantabili. In particolare, l’intervento affronterà lo sviluppo di sfinteri artificiali per il trattamento dell’incontinenza urinaria.
Stimoli biofisici e medicina rigenerativa
Gli stimoli biofisici comprendono varie forme di energia, come la luce, i campi elettrici o magnetici e gli ultrasuoni. Un utilizzo appropriato di queste forme d'energia potrebbe rappresentare il quarto pilastro dell'ingegneria tissutale, determinando il differenziamento di cellule staminali e di conseguenza la guarigione e la rigenerazione di cellule e tessuti. In aggiunta l'utilizzo di materiali responsivi a questi stimoli biofisici può ulteriormente migliorare l'efficienza di questo approccio promettente promuovendo la rigenerazione tissutale e un rilascio di farmaci localizzato.
Stimolazione biofisica applicata al trattamento dell'osteoartrosi
Questo talk si focalizza sulla sinergia tra stimolazione biofisica e materiali compositi per favorire il ripristino della funzionalità della cartilagine articolare, e la rigenerazione del tessuto cartilagineo in persone affette da osteoartrosi. Difatto, questa malattia comporta la degenerazione della cartilagine, ed è una delle cause più comuni di dolore e disabilità nelle persone. Durante l'intervento, verranno riportati i risultati del progetto ADMAIORA, in cui ci siamo proposti di esplorare il potenziale dei materiali nanocompositi intelligenti e delle cellule staminali, in sinergia con stimoli fisici esterni (basati su ultrasuoni a bassa intensità), per arrestare la degenerazione della cartilagine durante l'osteoartrosi nelle fasi iniziali e favorire processi rigenerativi.
Robot e medicina rigenerativa: rigenerare tessuti con il bioprinting in situ
La stampa 3D ha mostrato negli ultimi anni grandi potenzialità nel settore della medicina rigenerativa, grazie alla possibilità di avere un preciso controllo sulla deposizione di biomateriali e alla capacità di fabbricare strutture dall’elevata complessità geometrica. Questo approccio, tuttavia, presenta molteplici svantaggi che ne limitano le applicazioni cliniche, quali la difficoltà nel maneggiare e trasportare i costrutti stampati, la facilità di contaminazione prima del trapianto e la necessità di un periodo di maturazione in bioreattori che simulino i parametri fisiologici. Una possibile strategia per superare questi limiti è stata proposta negli ultimi anni con l’avvento del “bioprinting in situ”. Questa tecnologia innovativa consiste nella deposizione precisa e controllata di biomateriali e cellule direttamente sul tessuto/organo danneggiato del paziente. In tale approccio il corpo del paziente stesso agisce da bioreattore favorendo una migliore e più rapida integrazione dei costrutti stampati. La rigenerazione di un tessuto in situ richiede la capacità di seguire complesse traiettorie durante la deposizione dei materiali e, per tale motivo, l’utilizzo di un robot risulta l’approccio più promettente in quanto garantisce una elevata precisione nell’esecuzione dei percorsi di stampa, minimizzando al tempo stesso l’errore umano. Il workflow operativo include quattro fasi distinte: i) acquisizione del modello digitale del difetto anatomico; ii) pianificazione della traiettoria di stampa; iii) registrazione del percorso nel workspace del robot; iv) deposizione del materiale in situ attraverso diverse tecnologie di stampa, anche utilizzate in combinazione. In questo intervento verranno presentati i principali vantaggi e limiti di questa tecnologia, valutati attraverso lo sviluppo di una piattaforma robotica opportunamente ingegnerizzata per il bioprinting in situ.
CELLOIDS: imitare la natura a scale microscopiche
Numerose invenzioni di grande successo utilizzano la natura come fonte di ispirazione: le strategie adottate dal mondo vegetale e animale possono suggerire soluzioni tecnologiche innovative in grado di superare le limitazioni dell’ingegneria tradizionale. Dai robot inspirati a rettili, insetti, invertebrati e pesci, fino ai robot antropomorfi, pensati per imitare caratteristiche umane, la biomimesi ha il potenziale di rivoluzionare la robotica classica. E se pensassimo di usare tale principio per realizzare robot a scale sempre più piccole, al di sotto del millimetro? Potrebbe venirci in aiuto l’unità funzionale degli organismi viventi: la cellula. I globuli bianchi del nostro sistema immunitario, ad esempio, sono in grado di raggiungere distretti corporei remoti deformandosi attraverso spazi ristretti e con geometrie complesse. A tale comportamento si ispira CELLOIDS, un progetto europeo con l’obiettivo di realizzare microrobot intelligenti, in grado di muoversi nei tessuti imitando le capacità dei globuli bianchi. Con un involucro ispirato alle membrane cellulari e un corpo liquido contenente uno sciame di particelle in grado di auto-propellersi e riprodurre comportamenti collettivi tipici di alcune specie animali, i celloidi sono progettati per navigare autonomamente all’interno di ambienti complessi, rispondendo a stimoli locali ed esterni e potrebbero rappresentare uno strumento innovativo per rendere la medicina ancora più precisa e meno invasiva.
Abel: il robot sociale empatico che può rivoluzionare l’approccio alla cura della salute mentale
"Annualmente, i disturbi mentali colpiscono circa 165 milioni di individui all'interno dell'UE, rappresentando più del 4% del PIL dei paesi dell'UE. Un fattore cruciale che contribuisce a questo impatto sostanziale è l'insorgenza tipicamente precoce di queste condizioni; circa il 75% dei problemi di salute mentale inizia prima dei 25 anni. Questa precoce insorgenza comporta notevoli costi sociali riducendo gli anni disponibili per l'educazione, l'impiego e la partecipazione sociale attiva [1]. Attualmente, l'assenza di marcatori fisiologici per la diagnosi e, crucialmente, per la previsione dell'insorgenza dei disturbi mentali sottolinea l'urgente necessità di identificare correlati fisiologici affidabili e specifici. Inoltre, il trattamento si basa prevalentemente su approcci farmacologici, che, a volte, non sono sufficientemente mirati e tendono a sopprimere la volontà e la consapevolezza dell'individuo [2]. Questa lacuna nella diagnostica predittiva, insieme ai limiti delle attuali modalità di trattamento, sottolinea la necessità di una ricerca e innovazione rivoluzionarie nella cura della salute mentale. La ricerca di marcatori fisiologici non è solo una ricerca scientifica, ma un passo cruciale verso l'abilitazione di interventi precoci e strategie di trattamento personalizzate. L'identificazione di biomarcatori specifici potrebbe portare a una comprensione più profonda dei disturbi mentali, superando l'approccio ""taglia unica"" tipico della farmacoterapia a largo spettro [3,4]. L'integrazione pionieristica dell'intelligenza artificiale (IA) con la robotica antropomorfa empatica, combinata al monitoraggio multimodale, non invasivo e senza contatto dei dati biologici, comportamentali e ambientali, attraverso la modellazione computazionale avanzata, segna una frontiera innovativa nella salute mentale. L’architettura è basata su Abel, un robot sociale altamente realistico per stabilire esperienze terapeutiche personalizzate avanzate e innovative. Abel ha le sembianze di un adolescente con caratteristiche androgine [5,6]. È dotato di attuatori all'avanguardia, veloci e silenziosi, che gli permettono di imitare le espressioni umane muovendo i muscoli del viso, il collo, gli occhi, le labbra, le braccia e le mani. Il robot parla utilizzando gli strumenti fondamentali di un LMM, rendendo le sue interazioni ancora più coinvolgenti e realistiche. [1] Wittchen HU, Jacobi F, Rehm J, Gustavsson A, Svensson M, Jönsson B, Olesen J, Allgulander C, Alonso J, Faravelli C, Fratiglioni L, Jennum P, Lieb R, Maercker A, van Os J, Preisig M, Salvador-Carulla L, Simon R, Steinhausen HC. The size and burden of mental disorders and other disorders of the brain in Europe 2010. Eur Neuropsychopharmacol. 2011 Sep;21(9):655-79. doi: 10.1016/j.euroneuro.2011.07.018. PMID: 21896369. [2] Elsevier. ""Brain imaging identifies biomarkers of mental illness."" ScienceDaily. ScienceDaily, 9 November 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/11/231109141454.htm>. [3] Xiao X., Hammond C., Salmeron B.J., Wang D., Gu H., Zhai T., Nguyen H., Lu H., Ross T.J., Yang Y., “Brain Functional Connectome Defines a Transdiagnostic Dimension Shared by Cognitive Function and Psychopathology in Preadolescents”, (2023) Biological Psychiatry. DOI: 10.1016/j.biopsych.2023.08.028 [4] Brückl, T.M., Spoormaker, V.I., Sämann, P.G. et al. The biological classification of mental disorders (BeCOME) study: a protocol for an observational deep-phenotyping study for the identification of biological subtypes. BMC Psychiatry 20, 213 (2020). https://doi.org/10.1186/s12888-020-02541-z [5] Cominelli, L., Feri, F., Garofalo, R., Giannetti, C., Meléndez-Jiménez, M.A., Greco, A., Nardelli, M., Scilingo, E.P., Kirchkamp, O., “Promises and trust in human–robot interaction, (2021) Scientific Reports, 11 (1), art. no. 9687. [6] Marin Vargas, A., Cominelli, L., Dell’Orletta, F., Scilingo, E.P., “Verbal Communication in Robotics: A Study on Salient Terms, Research Fields and Trends in the Last Decades Based on a Computational Linguistic Analysis”, (2021) Frontiers in Computer Science, 2, art. no. 591164. "
Con la partecipazione di
Tommaso Mazzocchi
Tommaso Mazzocchi ha lavorato per alcuni anni come assegnista di ricerca presso l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna. Da marzo 2019 è co-fondatore e Chief Technical Officer (CTO) di Relief s.r.l., spin-off della Scuola Superiore Sant’Anna che si occupa dello sviluppo di sfinteri artificiali per l’incontinenza urinaria. E’ inventore di numerosi brevetti.
Andrea Cafarelli
Andrea Cafarelli è un ricercatore (RTDa) del “Regenerative Technologies Lab” dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. Il suo lavoro è incentrato principalmente sull’utilizzo di tecnologie biofisiche (in particolar modo ultrasouni) per ingegneria tissutale e medicina rigenerativa.
Gabriele Maria Fortunato
Gabriele Maria Fortunato è un ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione ed è inoltre afferente al Centro di Ricerca “”E. Piaggio”” dell’Università di Pisa presso i cui laboratori svolge gran parte della sua ricerca. Fortunato ha conseguito il dottorato di ricerca in Ingegneria dell’Informazione presso l’Università di Pisa nel 2022, lavorando allo sviluppo di una piattaforma di biofabbricazione robotica per applicazioni di bioprinting in situ. In particolare, ha analizzato i vantaggi e i limiti di questa tecnologia innovativa rispetto agli approcci tradizionali di ingegneria tissutale, sviluppando un workflow operativo standardizzato per la rigenerazione di tessuti mediante stampa 3D direttamente su paziente. Attualmente la sua attività di ricerca è ancora focalizzata sullo sviluppo di soluzioni robotiche per la rigenerazione di organi e tessuti su paziente e su tecniche di produzione additiva e loro combinazione (stampa 3D basata su estrusione, stampa a getto d’inchiostro, elettrofilatura) per fabbricare scaffold multi-scala e multi-materiale per applicazioni di ingegneria tissutale. È inoltre coinvolto nello studio di modelli in vitro e bioreattori innovativi per lo studio di farmaci e terapie paziente-specifici e nello sviluppo di dispositivi medici open-source.”
Eugenia De Remigis
Eugenia De Remigis è una dottoranda in BioRobotica presso il Laboratorio di Microscale Robotics della Scuola Superiore Sant’Anna. Lavora all’interno del progetto CELLOIDS, finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC), per la progettazione di microrobot biomedicali intelligenti, ispirati alle cellule del sistema immunitario umano. Si occupa principalmente dello sviluppo di strategie di movimento dei microrobot in ambienti complessi. Il suo obiettivo è studiare e sviluppare tecnologie in grado di integrare ingegneria e biomimesi, adattando ed imitando strategie evolute dagli organismi viventi.
Enzo Pasquale Scilingo
Enzo Pasquale Scilingo, Ph.D. is full Professor in Electronic and Information Bioengineering at the University of Pisa. He received the Laurea Degree in Electronic Engineering from the University of Pisa, Italy and the Ph.D.degree in Bioengineering from the University of Milan, in 1995 and 1998 respectively. Currently, he is pursuing his research work both at the Information Engineering Department and the Research Center “E. Piaggio”. He has several teaching activities; he is supervisor of several PhD students and he is leading the laboratory Biolab at the Information Engineering Department. He coordinated the European project EC-FP7- ICT-247777 “PSYCHE-Personalised monitoring SYstems for Care in mental Health”, and the European project H2020-PHC-2015-689691 NEVERMIND – NEurobehavioural predictiVE and peRsonalised Modelling of depressIve symptoms duriNg primary somatic Diseases with ICT-enabled self-management procedures. Currently he is coordinating the FET project H2020-FETPROACT-2018-01- 824153 POTION – Promoting social interaction through emotional body odours. His main research interests are in wearable monitoring systems, artificial intelligence for biomedical applications, affective computing, human-computer interfaces, social robotics, biomedical and biomechanical signal processing, modelling, control and instrumentation. He is author of more than 250 papers on peer-review journals, contributions to international conferences and chapters in international books. He is co-author of three books edited by Springer. He is currently serving as reviewer to many international journals and as member of Program and Scientific Committees of yearly international conferences. He is Editor in chief of the section Bioelectronics of the Journal Electronics and member of the Editorial Board of the following journals: Plos One, Scientific Reports – Nature, IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, IEEE Transactions on Affective Computing, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Frontiers in Robotics and AI section Bionics and Biomimetics, Frontiers in Neuroscience section Neural technology, and ETRI Journal.
Lorenzo Vannozzi
Lorenzo Vannozzi è Ricercatore presso l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna. Fa parte del gruppo “”Regenerative Technologies Lab””, e si occupa principalmente di progettazione e sviluppo di biomateriali per l’ingegneria dei tessuti, attuatori basati su cellule muscolari e piattaforme per terapie mediche avanzate. Nello specifico, il suo lavoro si è concentrato sullo sviluppo di tessuti muscolari ingegnerizzati, approcciati attraverso diverse tecniche di fabbricazione che vanno dal 2D al 3D, e sullo studio di nuove strategie basate su matrici polimeriche ed idrogeli per favorire il ripristino della funzionalità della cartilagine articolare.