Biofarmaceutica e Sviluppo Formulativo (B-forDev Lab)

Macroarea: Tecnologia Farmaceutica

Settori ERC: LS7_4 Regenerative medicine; LS1_1 Macromolecular complexes including interactions involving nucleic acids, proteins, lipids and carbohydrates; PE5_7 Biomaterials synthesis; PE5_6 New materials: oxides, alloys, composite, organic-inorganic hybrid, nanoparticles

Referenti: Silvia Rossi (PO), Giuseppina Sandri (PO), Barbara Vigani (PA), Marco Ruggeri (RTDa)

Junior Staff: Caterina Valentino (Assegnista), Eleonora Bianchi (Assegnista), Gaia Zucca (Borsista), Amedeo Ungolo (Dottorando), Marta Pollini (Dottoranda), Mariasofia Perucchini (Dottoranda), Irene Segato (Dottoranda), Elisabetta Maffioli (Dottoranda), Paolo Santagostini (Dottorando), Gaston Ignacio Patat (Dottorando) 

1. Progettazione e sviluppo formulativo di scaffold per la riparazione tissutale cutanea

Lo scopo della ricerca è progettare e sviluppare piattaforme terapeutiche flessibili in grado di promuovere la guarigione delle ferite cutanee e prevenire e/o trattare l'infezione in ferite croniche. Sostituti dermici per impianto (scaffold) sono preparati mediante processi facilmente scalabili, come l'elettrofilatura e la liofilizzazione. Tali sistemi sono progettati per possedere una struttura tridimensionale in grado di favorire l’adesione e proliferazione cellulare e la produzione di matrice extracellulare, in modo da ripristinare il tessuto nativo durante la degradazione del sistema. Sono oggetto di studio processi preparativi green e materiali innovativi caratterizzati da adeguate proprietà meccaniche e completa degradazione in vivo. Tra questi sono considerati biomateriali di origine polisaccaridica (ad esempio, chitosani, alginati, acido ialuronico) che, grazie alla loro biocompatibilità, bassa tossicità e bioattività, sono in grado di favorire il processo di guarigione. Attivi biologici, come fattori di crescita, e/o antimicrobici sono veicolati in nanoparticelle al fine di migliorare le proprietà biologiche degli scaffold sviluppati.
Inoltre, sono oggetto di ricerca scaffold elettrofilati costituiti da polimeri termoplastici, caricati con materiali conduttivi per promuovere la riparazione di ferite croniche cutanee. Questi sistemi facilitano il passaggio di corrente elettrica stimolante, promuovendo la migrazione e proliferazione cellulare e favorendo la deposizione di collagene, con l’obiettivo di accelerare la guarigione delle lesioni.
In parallelo, sono in fase di sviluppo piattaforme a microaghi (microneedles), costituite da array (ad esempio 10×10 o 15×15) con microstrutture con altezze comprese tra 600 e 800 µm. Diversi materiali — inclusi polimeri, proteine e peptidi — sono stati impiegati al fine di ottenere microaghi di vario tipo (ad esempio dissolving o hydrogel-forming) destinati al trattamento di cicatrici patologiche, come cicatrici ipertrofiche e cheloidi.
Infine, è attualmente in corso lo sviluppo di medicazioni a captazione microbica, ottenute mediante tecniche come l’elettrofilatura o la liofilizzazione. Questi sistemi sono progettati per attrarre e trattenere batteri attraverso interazioni specifiche o aspecifiche con componenti della loro parete cellulare. Tali sistemi non richiedono l’impiego di agenti antimicrobici, contribuendo così a contrastare il crescente fenomeno dell’antibiotico-resistenza e a limitare la risposta infiammatoria locale che potrebbe essere indotta dalla lisi batterica.

2. Progettazione e sviluppo formulativo di piattaforme terapeutiche per il trattamento di lesioni al sistema nervoso

Lo scopo della ricerca è lo sviluppo di sistemi terapeutici innovativi da applicare localmente al sito di danno e in grado di combinare un approccio neurorigenerativo e neuroprotettivo. Tali sistemi, grazie alla loro struttura fibrosa e/o multi-canale, sono in grado di mimare l’architettura della matrice extracellulare, fornendo un supporto meccanico e trofico alle cellule nervose tale da promuovere il recupero e la riorganizzazione della connettività neuronale. Le dimensioni delle fibre e dei canali sono opportunamente indagate in fase di progettazione a seconda della lesione e del tessuto nervoso di applicazione (centrale o periferico). I sistemi sviluppati hanno, inoltre, la capacità di veicolare e controllare il rilascio di candidati farmaci o molecole biologiche in grado di ridurre l’eccitotossicità glutammatergica, di prevenire il danno ossidativo e di modulare la sovra-espressione di citochine pro-infiammatorie in sede di lesione.

3. Progettazione e sviluppo di sostituti del tessuto tendineo e cartilagineo

Lo scopo della ricerca si focalizza sullo sviluppo di scaffold a base di polimeri, sia naturali che sintetici, aventi la capacità di mimare le funzioni strutturali, biomeccaniche e biochimiche della matrice extracellulare, mimando di conseguenza i tessuti nativi. Gli scaffold sono prodotti mediante elettrofilatura, un metodo semplice, versatile ed economico per filare materiali polimerici mediante l’applicazione di un campo elettrico ad alta tensione, che permette di generare fibre con diametri nell’ordine dei nano o micrometri. La versatilità dell’elettrofilatura consente la generazione di scaffold porosi formati da fibre random o allineate adatte alla rigenerazione del tessuto cartilagineo o tendineo, rispettivamente. Sono in studio anche prototipi preparati mediante liofilizzazione. I polimeri vengono combinati con vari materiali organici e inorganici al fine di aumentare le proprietà meccaniche e la biocompatibilità del sistema, migliorando l'adesione, la proliferazione e la differenziazione cellulare e, di conseguenza, il potenziale di guarigione dei tessuti. Ulteriori studi riguardano lo sviluppo di smart scaffolds 4D e a base di polimeri shape-memory. Questi ultimi sono capaci di mantenere una forma temporanea e recuperare la forma originale in seguito all’esposizione a uno stimolo esterno specifico (temperatura, luce, pH). Questa proprietà garantisce un migliore inserimento nel tessuto danneggiato e ne permette l’impianto mediante procedure minimamente invasive.

4. Progettazione e sviluppo di sistemi bioadesivi e gelificabili in situ 

Lo scopo della ricerca è la progettazione e sviluppo di sistemi bioadesivi e gelificabili in situ per il trattamento locale di stati infiammatori o infezioni a carico delle mucose dell’organismo (oculare, nasale, buccale, esofagea e vaginale). Dipendentemente dalla condizione patologica da risolvere, i suddetti sistemi sono progettati al fine di veicolare agenti antimicrobici, composti ad azione antinfiammatoria e probiotici. 
Inoltre, sono in studio sistemi bioadesivi e conduttivi (liofilizati o gelificabili in-situ) per il recupero della contrazione cardiaca in seguito a infarto del miocardio. Questi sistemi elettricamente conduttivi fungono da ponte tra tessuto sano e cicatriziale, facilitando la trasmissione elettrica e favorendo il ripristino della contrazione sincronizzata del cuore. A questo scopo, le proprietà bioadesive sono fondamentali per migliorare l’integrazione del sistema nel sito della lesione, prevenendo lo spostamento e favorendo la riparazione locale del tessuto. 
Un’ulteriore linea di ricerca si concentra sullo sviluppo di idrogeli a base di polimeri naturali modificati strutturalmente al fine di migliorare le proprietà bioadesive degli scaffold.

5. Produzione di nanosistemi per la veicolazione di molecole bioattive

Questa linea di ricerca è dedicata allo sviluppo di nanosistemi lipidici (SLN, NLC, liposomi) e polimerici (polimeri naturali e/o sintetici) per la veicolazione di molecole bioattive, quali antimicrobici, antiossidanti e immunostimolanti. Le attività si concentrano in particolare sulla produzione dei nanosistemi tramite tecnologie convenzionali (bulk) e approcci avanzati basati su microfluidica per un maggior controllo in termini di produzione, efficienza e riproducibilità.

1. Bianchi E.; Bañobre-Lopez M.; Ruggeri M.; Del Favero E.; Vigani B.; Ricci C.; Boselli C.; Icaro Cornaglia A.; Albino M.; Sangregorio C.; Lascialfari A.; Zanovello J.; Jannelli E.; Pavesi F.C.; Rossi S.; Casettari L.; Sandri G. (2025) Magnetic Scaffolds for the mechanotransduction Stimulation in Tendon Tissue Regeneration. Mater Today Bio, 101699. Doi: 10.1016/j.mtbio.2025.101699
2. Ianev D.; Vigani B.; Valentino C.; Sorrenti M.; Catenacci L.; Bonferoni M. C.; Ruggeri M.; Sandri G.; Mori M.; Rossi S. (2025). Whey protein-chitosans complexes as sustainable and value-added biomaterials for wound healing. Carbohydr Polym Technol Appl, 9, 100643. Doi:10.1016/j.carpta.2024.100643
3. Nomicisio C.; Ruggeri M.; Taviot-Guého C.; Boselli C.; Icaro-Cornaglia A.; Bianchi E.; Del Favero E.; Ricci C.; Firpo G.; Vigani B.; Vacca P.; Viseras C.; Rossi S.; Sandri G. (2025) Development of clay/alginate/chondroitin sulfate composite microspheres via continuous process for chronic wounds regeneration. Carbohydr Polym Technol Appl, 10, 100711. Doi: 10.1016/j.carpta.2025.100711
4. Valentino C.; Perucchini M.; Vigani B.; Ruggeri M.; Pellegrini A.; Pietrocola G., Varacca G., Bettini R.; Milanese C.; Sandri G.; Rossi S. (2025). Development of chitosan/hydrolyzed collagen interaction product-based microparticles for the treatment of respiratory tract infections. Int J Biol Macromol, 288, 138674. Doi:10.1016/j.ijbiomac.2024.138674
5. Zucca G.; Vigani B.; Valentino C.; Ruggeri M.; Marchesi N.; Pascale A.; Giovili G.; Malavasi L.; Giuseppina S.; Rossi, S. (2025). Chondroitin Sulphate-Chitosan Based Nanogels Loaded with Naringenin-β-Cyclodextrin Complex as Potential Tool for the Treatment of Diabetic Retinopathy: A Formulation Study. Int J Nanomedicine, 907-932. Doi: 10.2147/IJN.S488507
6. Zucca G.; Perucchini M.; Vigani B.; Valentino C.; Patterlini V.; Climani G.; D'Angelo D.; Sonvico F.; Muratori L.; Civra A.; Lembo D.; Ruggeri M.; Sandri G.; Rossi S. (2025) Development of a nasal spray based on cyclodextrin/hydrophobically-modified hydroxypropyl-methyl cellulose for the prevention of viral respiratory infections. Int J Biol Macromol, 299:140024.  Doi: 10.1016/j.ijbiomac.2025.140024.
7. Ruggeri M.; Nomicisio C.; Taviot-Guého C.; Vigani B.; Boselli C.; Grisoli P.; Icaro Cornaglia A.; Bianchi E.; Viseras C.; Rossi S.; Sandri G. (2024) Smart copper-doped clays in biomimetic microparticles for wound healing and infection control. Mater Today Bio, 101292. Doi: 10.1016/j.mtbio.2024.101292
8. Ruggeri M.; De Luca F.; Ungolo A.; Vigani B.; Paredes A.J.; Russo E.; Bottone M.G.; Bianchi E.; Ferrari F.; Rossi, S.; Sandri G. (2024) Olive mill wastewater: From by-product to smart antioxidant material. Int J Pharm X, 8. Doi: 10.1016/j.ijpx.2024.100301
9. Vigani B.; Ianev D.; Adami M.; Valentino C.; Ruggeri, M., Boselli C.; Icaro Cornaglia A.; Sandri G.; Rossi S. (2024). Porous Functionally Graded Scaffold prepared by a single-step freeze-drying process. A bioinspired approach for wound care. Int J Pharm, 656, 124119. Doi: 10.1016/j.ijpharm.2024.124119
10. Ungolo A.; Ruggeri M.; Vigani B.; Grisoli P.; Bianchi E.; Viseras C.; Rossi, S.; Sandri G. (2024) Antibacterial, antioxidant and barrier properties of clay-doped electrospun fibers. Mater Design, 247. Doi: 10.1016/j.matdes.2024.113405

Collaborazioni Nazionali

• Dr. A. Athanassiou - Istituto Italiano di Tecnologia
• Dr. G. Suarato - CNR
• Dr. A. Benigni- Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri IRCCS
• Prof. E. Del Favero e Dr. Caterina Ricci – Università degli Studi di Milano Statale
• Prof. N. Mandras – Università degli Studi di Torino
• Prof. S. Riela – Università degli Studi di Palermo
• Prof. B. Onida e F. Bosco – Politecnico di Torino
• Prof. R. Pisano – Politecnico di Torino
• Prof. D. Lembo - Università degli Studi di Torino 

Collaborazioni Internazionali

• Prof. S. Simões - University of Lisbon, Portugal
• Prof. C. Viseras e C. Aguzzi - University of Granada, Spain
• Prof. Christine Taviot-Guého, Université Clermont-Auvergne
• Prof. A. Prina Mello - Trinity College Dublin, Ireland
• Prof. L. Black - Tufts University, Medford, MA, USA
• Prof D. Carugo - University College London, UK
• Prof. R. Donnelly e Dr A. Paredes - Queen’s University Belfast, UK

• European Commission HORIZON-CL4-2024-RESILIENCE-01-36 — Advanced biomaterials for the Health Care. Project ID: 101178590 “Tendon Engineering FOR Comprehensive Advanced Rehabilitation and Enhancement” “TEN4CARE” – Pavia Coordinator (2025-2029)
• PRIN 2022 programme – Project Magnetic responsive smart device for tendon regeneration-MASTER funded by the Italian Ministry of University and Research (MUR) Role: Project coordinator (2025-2027)
• European Commission HORIZON-CL4-2022-RESILIENCE-01-13 - Smart and multifunctional biomaterials for health innovations (RIA), Project ID:101092243 “Smart and multiFunctional 3D printable prO-Regenerative biologiCal matrix modulating mEchanotRansduction as advancEd theraPy to treAt skIn chRonic wounds” “FORCEREPAIR” - Pavia Unit member (2023-2026)
• PNRR- One health basic and translational research actions (INF-ACT) - F13C22001220007 - PE0000007 – Spoke 5 – Pavia Unit member (2022-2025)
• PNRR, M4 – Ecosistemi d’innovazione NODES – Nord Ovest Digitale E Sostenibile - Spoke 7 – Pavia Unit member (2022-2025)
• PNRR, “ON Foods - Research and innovation network on food and nutrition Sustainability, Safety and Security – Working ONFoods” - Project code PE00000003 - Spoke 3 - Pavia Unit Member (2022- 2025)
• European Commission H2020-NMBP-HUBS-2018, Project ID: 814607 “Safety testing in the life cycle of nanotechnology-enabled medical technologies for health” - UNIPV Principal investigator (2019-2023)
• Progetto di ricerca quadriennale finanziato dal Ministero della Salute, Traiettoria 4 “Biotecnologie, Bioinformatica e Sviluppo Farmaceutico”, Azione 4.1 “Creazione di Hub delle Scienze della Vita” del Piano operativo salute. Progetto T4-CN-02 “Immunoterapia: cura e prevenzione di malattie infettive e tumorali (Immuno-HUB)”

Competenza nello sviluppo formulativo di: i) micro- e nanoparticelle polimeriche (Mini Spray Dryer 191 – Büchi; Nano Spray Dryer B-90 HP – Büchi; ANP Automated Nanoparticle System (Dolomite Microfluidics), ii) micro- e nanofibre con orientamento casuale o allineato (apparecchiatura per elettrofilatura - STKIT-40 Linari Engineering – dotata di collettore piatto, collettori cilindrici rotanti con diverso diametro e sistema per la produzione di fibre core-shell; l’apparecchiatura è collocata in una cappa con controllo della temperatura e monitoraggio dell’umidità), iii) nanosistemi lipidici (Solid Lipid Nanoparticles, SLN, Nanostructured Lipid Carriers, NLC), iv) sistemi gelificabili in situ e/o mucoadesivi e v) matrici polimeriche (film, matrici porose, sistemi multi-canale e microneedles).

Esperienza consolidata nell’utilizzo delle seguenti apparecchiature per la caratterizzazione delle formulazioni sviluppate: i) Particle Size and Zeta Potential Analyzer Litesizer 500 (Anton Paar) per la determinazione delle dimensioni e del potenziale di superficie di sistemi colloidali, ii) Malvern Mastersizer 3000E (Alfatest) per l’analisi granulometrica di sistemi particellari e dispersioni liquide, iii) reometro rotazionale MCR 102 (Anton Paar) per lo studio del comportamento reologico di sistemi liquidi e semi-solidi (viscosità, viscoelasticità, tissotropia, sinergismo reologico), iv) tensiometro DyneMaster DY-300 (Kyowa) per la misura della tensione superficiale e interfacciale di soluzioni, v) conduttimetro FiveGo F3 (Mettler Toledo) per la valutazione della conducibilità di soluzioni, vi) TA.XT plus Texture Analyzer (Stable MicroSystems) per lo studio delle proprietà meccaniche di solidi (sia in tensione che in compressione) e delle proprietà adesive e bioadesive di solidi e semi-solidi, vii) analizzatore dinamico-meccanico MCR 702e (Anton Paar) per lo studio delle proprietà meccaniche di solidi (sia in tensione che in torsione) e semi-solidi (in compressione), viii) apparecchiatura del piano inclinato per la valutazione delle proprietà mucoadesive di liquidi e semi-solidi, ix) cella di Franz modificata per misure di lavabilità su substrato biologico, x) SurPASS 3 (Anton Paar) per l’analisi elettrocinetica di superfici solide, xi) celle di diffusione di Franz (con superficie di contatto piana o dotata di o-ring) (Permegear) per studi di rilascio in vitro e valutazione delle proprietà di idratazione, xii) microscopio elettronico a scansione Phenom Pure G6 SEM (Thermofisher Scientific) dotato di LUXOR Gold-Coater, xiii) microscopio a forza atomica Atomic Force Microscope Tosca 400 (Anton Paar), xiv) analizzatore di fisisorbimento ad alto vuoto dell'area superficiale e dei micropori Gas sorption analyzer Autosorb 6100 (Anton Paar).

Competenza nell’elaborazione statistica dei dati e nell’impostazione ed analisi di disegni sperimentali (DoE) mediante software dedicato (Statgraphics).

Esperienza continuativa nell’uso di svariate linee cellulari a) fibroblasti del derma umano, cheratinociti, cellule endoteliali (HUVEC), monociti, tenociti (Ten-1), osteoblasti (HOB), cellule di Schwann (SCs), cellule staminali mesenchimali umane isolate da tessuto adiposo (hASC), cellule HeLa, cellule Caco-2 e cellule Saos-2 per studi biofarmaceutici in vitro (studi di citotossicità e proliferazione cellulare). Apparecchiature per studi in vitro su linee cellulari: cappa a flusso laminare (Space 2 Ergosafe, Pbi Int.), incubatore O2/CO2 (mod. 5215, Pbi Int.), microscopio a ottica inversa (mod. PQ 10.8, Pbi Int.), autoclave (Alfa Junior, Pbi Int.), centrifuga (mod. TC6, Sorvall). Competenze acquisite: preparazione di terreni di coltura, semina, espansione, congelamento e scongelamento di cellule, impiego di test di vitalità cellulare (MTT, Alamar Blue) e di wound healing (utilizzo di inserti per valutare la capacità di gap closure), utilizzo di kit ELISA, fissazione e colorazione di campioni cellulari per indagini mediante microscopia elettronica a scansione e microscopia confocale.