IT202100019091A1 - Dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche. - Google Patents

Dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche. Download PDF

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Description

BREVE DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE
La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo utile a comprendere il comportamento meccanico del citoscheletro cellulare. Tale dispositivo ? un microstrumento di nuova concezione caratterizzato dal fatto che ? in grado di effettuare misure non realizzabili con le attuali tecniche sperimentali.
La meccanobiologia ? un campo di ricerca emergente incentrato sui meccanismi molecolari mediante i quali le cellule percepiscono ed esercitano forze meccaniche. Il citoscheletro gioca un ruolo fondamentale in questi meccanismi: i filamenti citoscheletrici possono generare forze, resistere ai carichi meccanici e orientare molti enzimi che mediano le funzioni cellulari critiche. La struttura citoscheletrica pu? riorganizzarsi e ricostituirsi in una nuova configurazione, conferendo alla cellula un nuovo assetto e variandone le caratteristiche meccaniche, come ad esempio la sua rigidezza e la sua resistenza a variazioni di forma. Il citoscheletro ? inoltre responsabile della motilit? cellulare. In generale, se una cellula interpreta erroneamente a segnale meccanico, la sua normale funzione pu? essere interrotta e pu? sorgere uno stato di malattia.
Pertanto, modellare la meccanica del citoscheletro ? fondamentale per capire come le irregolarit? meccaniche portano alla malattia. Sebbene negli ultimi anni siano stati proposti vari modelli, questi possono spiegare solo in parte la meccanica fenomeni, e nessun modello pu? essere preferito incondizionatamente agli altri.
Un aspetto cruciale in meccanobiologia ? lo studio sperimentale: anche se sono disponibili molte tecniche, la loro misurazione ? di capacit? limitata. Di conseguenza, ogni tecnica determina il proprio modello e l'interpretazione dei risultati non ? banale.
Il dispositivo della presente invenzione mira a risolvere le problematiche legate alla meccanica cellulare, considerando un approccio completamente nuovo basato sul concetto di anisotropia e sul seguente presupposto: la capacit? della cellula di modificare il suo stato meccanico dipende da come le microstrutture del citoscheletro si riorganizzano rispetto alla direzione della forza esercitata dall?esterno.
Grazie al dispositivo della presente invenzione (un microstrumento di nuova concezione), chiamato ?Isoprobe?, la risposta meccanica della cellula pu? essere mappata in 2 dimensioni, e la riorganizzazione del citoscheletro pu? essere analizzata secondo un approccio di anisotropia direzionale.
Allo stato attuale dell'arte, nessuna tecnica sperimentale ? in grado di raggiungere questo risultato, e lo studio della riorganizzazione del citoscheletro in funzione della direzione della forza applicata rappresenta un nuovo modo di affrontare lo studio della meccanica cellulare.
La meccanica delle cellule varia con lo stato funzionale o con gli stimoli esterni. Molte malattie (asma, osteoporosi, aterosclerosi, artrosi, glaucoma, distrofia muscolare, ulcere da pressione, etc.) possono essere causate o catalizzate direttamente da una meccanica cellulare o tissutale irregolare. Ad esempio, le mutazioni genetiche dei filamenti intermedi del citoscheletro sono spesso legate a malattie come l?epidermolisi bollosa simplex, che aumenta la fragilit? dei tessuti. Inoltre, un segno distintivo del cancro ? rappresentato dalla variazione della rigidezza cellulare, dovuta ad una perturbazione del citoscheletro. Tale variazione ha effetti significativi sulla capacit? delle cellule tumorali di invadere i tessuti circostanti e sul processo di metastatizzazione.
Il dispositivo della presente invenzione presenta dunque il potenziale per stabilire modelli avanzati per comprendere l'origine e la progressione di malattie e per lo sviluppo di nuove tecnologie biomediche in grado di migliorare la vita degli esseri umani.
Date le caratteristiche meccaniche dello strumento, questo si presta a svolgere le funzioni di un sensore di forza e di posizione nel piano, ed ? in grado di:
? rilevare la direzione ed il modulo della forza ad esso applicata;
? la direzione e lo spostamento conseguenti all?applicazione di una forza ad esso applicata.
Detto strumento si presta inoltre a svolgere le funzioni di accelerometro nel piano.
Lo strumento infine ? caratterizzato da una struttura monolitica che non richiede assemblaggio di componenti, e pu? essere costruito, considerando una certa variet? di materiali, mediante lavorazioni tradizionali e mediante tecnologie elettroniche tipiche dei sistemi microelettromeccanici (MEMS), rendendolo considerabile per applicazioni sia alla microscala che alla macroscala.
TECNICA NOTA
La comprensione del comportamento meccanico della singola cellula e del suo citoscheletro, sottoposti ad una forza specifica, rappresenta un'informazione fondamentale per capire come funzionano le cellule viventi. Tali informazioni possono aiutare a comprendere i meccanismi attraverso i quali le irregolarit? meccaniche portano a stati patologici e a sviluppare nuove tecnologie biomediche che portano a cambiamenti drammatici nella vita degli esseri umani. In particolare, ? necessario sviluppare modelli meccanici cellulari affidabili.
Storicamente, sono stati proposti per primi i modelli continui. Secondo questi modelli, la cellula ? considerata come una membrana elastica che circonda un citoplasma omogeneo che ? viscoso, elastico o visco-elastico. Quindi, per analizzare il contributo di distinti componenti molecolari sulla risposta meccanica cellulare, sono stati proposti modelli strutturali come schiume a celle aperte e modelli di tensegrit?. Tuttavia, anche se sono stati fatti progressi nella comprensione delle propriet? fisiche dei filamenti e dei gel del citoscheletro isolati, le propriet? dei materiali misurate in vitro non possono prevedere i comportamenti meccanici osservati nelle cellule viventi. Inoltre, sebbene negli ultimi anni siano state proposte varie teorie, nessun modello particolare pu? essere preferito incondizionatamente ad altri.
Un aspetto cruciale della meccanica cellulare ? il fatto che, contrariamente alle aree pi? tradizionali della meccanica, le cellule sono difficili da studiare sperimentalmente. Molte tecniche sperimentali, attive o passive, oggi disponibili, hanno permesso ai ricercatori di ottenere informazioni significative sulla risposta meccanica delle singole cellule. Tuttavia, tali tecniche presentano le seguenti limitazioni:
? la capacit? di misura ? limitata a un componente della risposta di forza;
? la capacit? di misura ? limitata a piccoli intervalli di deformazioni cellulari e risposte di forza, o vincolata a particolari stati cellulari; ? la flessibilit? e l'adattabilit? a nuove applicazioni o nuovi ambienti di lavoro sono basse;
? molte di queste tecniche si basano su strutture complesse non monolitiche;
? alcune tecniche possono danneggiare le cellule (aspirazione con micropipette, riscaldamento locale in trappole ottiche) e alterare il sistema durante l'esecuzione della misura;
? alcune tecniche richiedono l'inserimento di microsfere nella cella (trappole ottiche e magnetiche).
A differenza delle tecniche ad oggi utilizzate, il dispositivo della presente invenzione si basa su una metodologia avente il seguente presupposto: la capacit? della cellula di modificare il proprio stato meccanico (generare forze, variare la propria rigidit? e forma) dipende da come si riorganizzano le microstrutture del citoscheletro rispetto alla direzione della forza applicata dall?esterno.
Grazie al dispositivo della presente invenzione, la risposta meccanica della cellula pu? essere mappata nello spazio bidimensionale, in termini di:
? rigidezza della cellula;
? grandezza/direzione delle forze generate, sulla base della grandezza/direzione delle forze esterne applicate.
Pertanto, la riorganizzazione del citoscheletro pu? essere analizzata seguendo un approccio di anisotropia direzionale.
? dunque possibile utilizzare il dispositivo della presente invenzione per analizzare e mappare la risposta meccanica della cellula. Tale metodo di analisi comprende le seguenti fasi:
? Fase 1: applicazione di una forza esterna alla cellula, variando intensit? e direzione di detta forza;
? Fase 2: analisi della grandezza e della direzione della forza di reazione generata dalla cellula;
? Fase 3: mappatura della rigidezza cellulare nello spazio bidimensionale;
? Fase 4: analisi della riorganizzazione delle microstrutture citoscheletriche della cellula;
? Fase 5: analisi delle relazioni tra le direzioni delle forze applicate e le forze di reazione;
? Fase 6: analisi delle relazioni tra la ridistribuzione delle microstrutture citoscheletriche e le direzioni delle forze di reazione. Nell?arte non sono noti dispositivi, uguali o simili a quello proposto dalla presente invenzione, in grado di:
? rilevare la risposta meccanica di una cellula mappandola in 2 dimensioni;
? rilevare la forza esercitata da una cellula a causa di una perturbazione esterna in 2 dimensioni;
? mappare in 2 dimensioni la rigidezza della cellula secondo un approccio di anisotropia direzionale;
? rilevare la riorganizzazione del citoscheletro analizzandola secondo un approccio di anisotropia direzionale.
DESCRIZIONE DELLE FIGURE
La presente invenzione verr? ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati.
In figura 1, ? rappresentato il dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture alla microscala, in particolare strutture citoscheletriche della presente invenzione, comprendente:
? due giunti rotoidali flessibili (A e B);
? un elemento punta (C);
? un elemento di collegamento (L1), utile alla connessione del giunto rotoidale flessibile (A) con il giunto rotoidale flessibile (B);
? un elemento di collegamento (L2), utile alla connessione del giunto rotoidale flessibile (B) con l?elemento punta (C);
? un supporto fisso (S) collegato al giunto rotoidale flessibile (A). In figura 2, ? rappresentata la geometria teorica relativa al dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture alla microscala, in particolare strutture cito-scheletriche della presente invenzione, in cui:
? con l1 si indica la distanza tra il giunto rotoidale flessibile (A) e il giunto rotoidale flessibile (B);
? con l2 si indica la distanza tra il giunto rotoidale flessibile (B) e l?elemento punta (C);
? con ?1 le coordinate/angolo di rotazione del giunto rotoidale flessibile (A);
? con ?2 le coordinate/angolo di rotazione del giunto rotoidale flessibile (B);
? con k la costante di rigidezza dei giunti rotoidali flessibile (A e B).
Le figure 3 - 9 fanno riferimento ad analisi agli elementi finiti e a risultati derivanti da prove sperimentali effettuate su un dispositivo per applicazioni alla macroscala; ed in particolare:
in figura 3, ? rappresentata l?analisi FEA (Finite Element Analysis) del dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture alla macroscala, a seguito dell?applicazione di una forza F sull?elemento punta (C). Detta forza F ? inclinata di 45 gradi rispetto all'asse x.
La figura 4, mostra la direzione dello spostamento (espresso in radianti) dell?elemento punta (C) rispetto alla direzione (espressa in radianti) della forza applicata F pari a 0,98 Newton. In detta figura 4 vengono confrontati tra loro:
? i risultati su base teorica (Theory);
? i risultati ottenuti dalle simulazioni agli elementi finiti (FEA); ? i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale (Test).
La figura 5, mostra la direzione dello spostamento (espresso in radianti) dell?elemento punta (C) rispetto alla direzione (espressa in radianti) della forza applicata F pari a 1,96 Newton. In detta figura 5 vengono confrontati tra loro:
? i risultati su base teorica (Theory);
? i risultati ottenuti dalle simulazioni agli elementi finiti (FEA); ? i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale (Test).
La figura 6, mostra la direzione dello spostamento (espresso in radianti) dell?elemento punta (C) rispetto alla direzione (espressa in radianti) della forza applicata F pari a 2,94 Newton. In detta figura 6 vengono confrontati tra loro:
? i risultati su base teorica (Theory);
? i risultati ottenuti dalle simulazioni agli elementi finiti (FEA); ? i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale (Test).
La figura 7, mostra l?andamento della posizione (indicata con le coordinate x e y in metri) dell?elemento punta (C), a seguito dell?applicazione di una forza pari a 0,98 Newton su detto elemento punta (C). In detta figura 7 vengono confrontati tra loro:
? i risultati ottenuti su base teorica (Theory);
? i risultati ottenuti dalle simulazioni agli elementi finiti (FEA); ? i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale (Test).
La figura 8, mostra l?andamento della posizione (indicata con le coordinate x e y in metri) dell?elemento punta (C), a seguito dell?applicazione di una forza pari a 1,96 Newton su detto elemento punta (C). In detta figura 8 vengono confrontati tra loro:
? i risultati ottenuti su base teorica (Theory);
? i risultati ottenuti dalle simulazioni agli elementi finiti (FEA);
? i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale (Test).
La figura 9, mostra l?andamento della posizione (indicata con le coordinate x e y in metri) dell?elemento punta (C), a seguito dell?applicazione di una forza pari a 2,94 Newton su detto elemento punta (C). In detta figura 9 vengono confrontati tra loro:
? i risultati ottenuti su base teorica (Theory);
? i risultati ottenuti dalle simulazioni agli elementi finiti (FEA);
? i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale (Test).
DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE
La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo utile a comprendere il comportamento meccanico delle strutture citoscheletriche.
Tale dispositivo ? un microstrumento (meccanismo flessibile) di nuova concezione caratterizzato dal fatto che ? in grado di effettuare misure non realizzabili con le attuali tecniche sperimentali.
In accordo con la presente invenzione per ?meccanismo flessibile? si definisce un dispositivo flessibile in grado di trasferire una forza in ingresso o uno spostamento, verso un altro punto attraverso la deformazione elastica del corpo. Si tratta solitamente di strutture monolitiche (monoblocco), o senza giunture, con alcuni vantaggi rispetto ai meccanismi a corpo rigido o snodati.
Il meccanismo flessibile della presente invenzione viene realizzato partendo da un tradizionale meccanismo formato dalla connessione di corpi rigidi. Il dispositivo della presente invenzione si ottiene sostituendo le coppie cinematiche di detto modello di meccanismo a corpo rigido con degli elementi flessibili. In questo modo ? dunque possibile riportate un problema di sintesi di meccanismi flessibili ad un problema di sintesi di meccanismi tradizionali. Pertanto, tutte le metodologie che derivano dalla teoria della meccanica dei corpi rigidi possono essere utilizzate per i problemi di sintesi di un meccanismo flessibile.
Tra i suddetti strumenti teorici, quello di maggiore interesse ? il concetto di ?cedevolezza isotropa?, introdotto per la prima volta nello Spazio Euclideo E(3) per manipolatori robotici in serie. Se la propriet? di cedevolezza isotropa ? verificata per una specifica posizione del manipolatore robotico, lo spostamento dell'endeffector dovuto alla cedevolezza del sistema risulta essere parallelo alla forza applicata.
Nella presente invenzione, il concetto di cedevolezza isotropa viene esteso al meccanismo flessibile. Lo scopo ? progettare un meccanismo flessibile planare che abbia la propriet? di cedevolezza isotropa nello Spazio Euclideo E(2). Questa caratteristica garantisce di conoscere a priori la risposta di cedevolezza del meccanismo flessibile dopo il verificarsi di un contatto con l?ambiente esterno. Pi? specificamente, lo spostamento dell?elemento punta (C) del dispositivo della presente invenzione sar? sempre parallelo alla forza esterna applicata.
Tale caratteristica pu? essere sfruttata per lo sviluppo di: sensori di forza, sensori di posizione, accelerometri e/o di sonde isotrope. Inoltre, poich? il sistema ? planare e monolitico, ? compatibile con le tecnologie MEMS (Micro ElectroMechanical Systems) e pu? essere integrato nei microsistemi di misura e, pi? in generale per applicazioni alla microscala.
? pertanto un oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, comprendente:
? due giunti rotoidali flessibili (A e B);
? un elemento punta (C);
? un elemento di collegamento (L1), utile alla connessione del giunto rotoidale flessibile (A) con il giunto rotoidale flessibile (B);
? un elemento di collegamento (L2), utile alla connessione del giunto rotoidale flessibile (B) con l?elemento punta (C);
? un supporto fisso (S) collegato al giunto rotoidale flessibile (A).
? un ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, caratterizzato dal fatto ? realizzato come un elemento monoblocco.
? un ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, realizzato in modo tale da essere un meccanismo flessibile planare che abbia la propriet? di cedevolezza isotropa nello spazio Euclideo E(2).
? un ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, in cui lo spostamento dell?elemento punta (C) ? sempre parallelo alla forza esterna applicata.
? un ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, applicabile come sensore di forza, sensore di posizione, accelerometro e/o sonda isotropa in 2 dimensioni.
? un ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, compatibile con le tecnologie basate su MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) integrabile nei microsistemi di misura e, pi? in generale per applicazioni in microscala.
? un ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, realizzato con un materiale scelto nel gruppo comprendente: poliossimetilene, polietilene, nylon, acciaio, silicio monocristallino, silicio policristallino, photoresist SU-8 e/o una loro combinazione.
? un ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture cito-scheletriche, realizzato con un materiale lineare elastico, omogeneo e isotropo, avente un modulo di Young pari a 2,5GPa e un rapporto di Poisson pari a 0,35.
? un ulteriore oggetto della presente invenzione un dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, utile per analizzare la risposta meccanica di una cellula; in cui detta analisi comprende le seguenti fasi di lavorazione:
? Fase 1: applicazione di una forza esterna alla cellula, variando intensit? e direzione di detta forza;
? Fase 2: analisi della grandezza e della direzione della forza di reazione generata dalla cellula;
? Fase 3: mappatura della rigidezza cellulare nello spazio bidimensionale;
? Fase 4: analisi della riorganizzazione delle microstrutture citoscheletriche della cellula;
? Fase 5: analisi delle relazioni tra le direzioni delle forze applicate e le forze di reazione;
? Fase 6: analisi delle relazioni tra la ridistribuzione delle microstrutture cito-scheletriche e le direzioni delle forze di reazione. Esempio 1
Il dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture alla macroscala della presente invenzione ? stato realizzato con le seguenti caratteristiche:
? l1 = 240 mm;
? l2 = 169,7 mm;
? materiale utilizzato per la realizzazione monoblocco del dispositivo:
poliossimetilene.
Pi? specificamente, detto materiale costitutivo (poliossimetilene) era un materiale lineare elastico, omogeneo e isotropo, con modulo di Young e rapporto di Poisson pari rispettivamente a 2,5GPa e 0,35 .
Sono state eseguite una serie di simulazioni agli elementi finiti e prove sperimentali per valutare la cedevolezza del dispositivo e verificare la propriet? di isotropia, ovvero la condizione di parallelismo tra forza applicata e spostamento. La figura 3 fa riferimento al caso di una forza F applicata all?elemento punta (C) ? inclinata di 45 gradi rispetto all?asse x.
In particolare, sono state effettuate analisi e prove a pi? step considerando, come moduli della forza applicata, valori pari a 0,98 N, 1,96 N e 2,94 N.
Nelle figure 4, 5 e 6 sono riportati graficamente i risultati ottenuti relativamente alla direzione dello spostamento (espresso in radianti) dell?elemento punta (C) rispetto alla direzione (espressa in radianti) della forza applicata F per i valori 0,98 N (figura 4), 1,96 N (figura 5) e 2,94 N (figura 6). In dette figure 4, 5 e 6 vengono confrontati tra loro:
? i risultati su base teorica (Theory);
? i risultati ottenuti dalle simulazioni agli elementi finiti (FEA);
? i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale (Test).
Nelle figure 7, 8 e 9 sono riportati graficamente i risultati ottenuti relativamente all?andamento della posizione (indicata con le coordinate x e y in metri) dell?elemento punta (C), a seguito dell?applicazione di una forza pari a 0,98 N (figura 7), 1,96 N (figura 8) e 2,94 N (figura 9) su detto elemento punta (C). In dette figure 7, 8 e 9 vengono confrontati tra loro:
? i risultati ottenuti su base teorica (Theory);
? i risultati ottenuti dalle simulazioni agli elementi finiti (FEA);
? i risultati ottenuti dalla campagna sperimentale (Test).
A seguito della valutazione dei risultati ottenuti, ? stato possibile confermare che il dispositivo della presente invenzione verifica le condizioni di cedevolezza isotropa, garantendo la condizione di parallelismo tra la forza applicata F e lo spostamento risultante.

Claims (7)

RIVENDICAZIONI
1. Dispositivo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, comprendente:
? almeno due giunti rotoidali flessibili (A e B);
? almeno un elemento punta (C);
? almeno un elemento di collegamento (L1), utile alla connessione del giunto rotoidale flessibile (A) con il giunto rotoidale flessibile (B); ? almeno un elemento di collegamento (L2), utile alla connessione del giunto rotoidale flessibile (B) con l?elemento punta (C);
? almeno un supporto fisso (S) collegato al giunto rotoidale flessibile (A).
2. Dispositivo della rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ? realizzato come un elemento monoblocco.
3. Dispositivo della rivendicazione 1, compatibile con le tecnologie basate su MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) integrabile nei microsistemi di misura e, pi? in generale per applicazioni in microscala.
4. Dispositivo della rivendicazione 1, realizzato con un materiale scelto nel gruppo comprendente: poliossimetilene, polietilene, nylon, acciaio, silicio monocristallino, silicio policristallino, photoresist SU-8 e/o una loro combinazione.
5. Dispositivo della rivendicazione 1, realizzato con un materiale omogeneo e isotropo, avente un modulo di Young pari a 2,5GPa e un rapporto di Poisson pari a 0,35.
6. Metodo per la rilevazione del comportamento meccanico di strutture citoscheletriche, che utilizza il dispositivo della rivendicazione 1, in cui detto metodo comprende le seguenti fasi di lavorazione:
? Fase 1: applicazione di una forza esterna alla cellula, variando intensit? e direzione di detta forza;
? Fase 2: analisi della grandezza e della direzione della forza di reazione generata dalla cellula;
? Fase 3: mappatura della rigidezza cellulare nello spazio bidimensionale;
? Fase 4: analisi della riorganizzazione delle microstrutture citoscheletriche della cellula;
? Fase 5: analisi delle relazioni tra le direzioni delle forze applicate e le forze di reazione;
? Fase 6: analisi delle relazioni tra la ridistribuzione delle microstrutture cito-scheletriche e le direzioni delle forze di reazione.
7. Dispositivo della rivendicazione 1, per uso come sensore di forza, sensore di posizione, accelerometro e/o sonda isotropa in 2 dimensioni.
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